Преобразователь в ультразвуковой установке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Воронежский государственный технический университет"

(ФГБОУ ВПО "ВГТУ", ВГТУ)

Факультет заочного обучения

Кафедра технологии машиностроения

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Теория электрических и физико-химических процессов"

на тему: "Преобразователь в ультразвуковой установке"

Выполнил: студент гр. ТМ-121

Скуфинская Е.А.

Проверил: Кириллов О.Н.

Воронеж - 2015

Содержание

Введение

1. Физические основы ультразвука как явления

2. Ультразвуковые преобразователи

2.1 История ультразвуковых преобразователей

2.2 Классификация ультразвуковых преобразователей

2.3 Конструктивные особенности преобразователей

2.4 Выбор акустических параметров при проектировании

2.5 Резонансная частота и чувствительность преобразователя

2.6 Специальные преобразователи и контактные среды

2.7 Электромагнитные ультразвуковые преобразователи

2.8 Пьезоэлектрические преобразователи

2.8.1 Области применения ПЭП

2.8.2 Погрешности ПЭП

Список использованных источников

Введение

В основных направлениях экономического и социального развития, в частности, есть тезис о необходимости широкого использования высокоэффективных методов обработки материалов. Методы эти разнообразны; среди них электрохимические, лазерные, радиационные и прочие, объединенные одной целью: улучшения свойств обрабатываемых материалов. Одним из средств обработки является ультразвук, точнее, ультразвуковые колебания: упругие волны, распространяющиеся в материальных средах - твердых телах, жидкостях и газах. Упругие колебания во всех диапазонах частот подчиняются одним и тем же физическим законам; теоретически, ими занимается акустика, получившая развитие уже в XIX столетии. Однако после того, как были открыты эффект магнитострикции (Дж. П. Джоуль) и пьезоэлектричества (П. Кюри), стало возможно исследовать ультразвуковые колебания более глубоко, а благодаря работам советской школы физиков-акустиков ультразвук стал широко применяться в промышленности. Теперь это понятие охватывает целые разделы науки, техники и технологии, на его основе создано и продолжает проектироваться множество устройств, весьма разнообразных по своему целеполаганию.

Принципиальным моментом в исследовании ультразвука было открытие прямого и обратного пьезоэффектов, в которых проявляется связь между упругим и электрическим или магнитным состояниями пьезоматериалов. Они используются для преобразования электрической энергии в механическую и обратно. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется преобразователем. В качестве материалов для преобразователей применяются вещества с сильно выраженной связью упругого и электрического или магнитного состояний. Самые распространенные из них - это ультразвуковые преобразователи. Это устройства, преобразующие в ультразвуковые колебания колебания другого рода: механические, электрические и т.д. Рассмотрим их подробнее.

1. Физические основы ультразвука как явления

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Если их частота более 20 000 Гц (20 кГц), т. е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). Упругие колебания могут быть возбуждены в твердых, жидких и газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывает распространение упругой УЗ-волны, сопровождаемое переносом энергии. Процесс распространения ультразвука в пространстве является волновым. Граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от частиц, еще не начавших колебаться, называется фронтом волны. Упругие волны характеризуются скоростью распространения, длиной волныи частотой колебаний. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту УЗ-колебаний.

При возбуждении в материальной среде звуковых колебаний в частицах, примыкающих к источнику звука, возникают периодически чередующиеся сжимающие и растягивающие упругие напряжения. Частицы среды, непосредственно прилегающие к колеблющимся, также оказываются выведенными из равновесия и также начинают совершать колебания. Эти частицы передают колебания следующим и так далее; таким образом происходит распространение колебаний в пространстве. Процесс распространения в сплошной среде упругих колебаний образует звуковую, или акустическую, волну. Частицы среды, участвующие в волновом движении, колеблются около своего положения равновесия. При распространении волны происходит перенос энергии, но отсутствует перенос вещества, так как точки положения равновесия не смещаются.

2. Ультразвуковые преобразователи

В качестве излучателей ультразвуковых волн применяются главным образом ультразвуковые преобразователи, основанные на принципе преобразования электрической энергии в акустическую; те же преобразователи играют роль приемников ультразвуковой энергии. При всем разнообразии ультразвуковых установок общим для них является то, что полезный эффект достигается за счет энергии ультразвуковых упругих колебаний. В состав любой ультразвуковой установки входят источник энергии и ультразвуковая колебательная система (преобразователь), преобразующая электрическую энергию в энергию механических ультразвуковых колебаний. Наиболее распространенным типом преобразователей являются электроакустические (в частности, магнитострикционные или пьезоэлектрические). Источником энергии в этом случае является полупроводниковый или ламповый электрический генератор ультразвуковой частоты. Используются также механоакустические источники ультразвуковых колебаний, преобразующие механическую энергию (например, энергию сжатого газа) в ультразвуковую. В качестве трансформатора упругих колебаний в установках чаще всего используют продольно-изгибную систему, состоящую из концентратора продольных колебаний и волновода изгибных колебаний. Преобразователь, устройство для охлаждения, трансформатор упругих колебаний и инструмент образуют ультразвуковую колебательную систему. В состав колебательной системы входят также элементы, обеспечивающие крепление ее к корпусу установки.

2.1 История ультразвуковых преобразователей

Можно сказать, что ультразвуковые преобразователи родились в воде. В 1826 г. Колладоне и Штурмом на Женевском озере впервые была измерена скорость распространения звука в воде с помощью церковного колокола. Еще до этого эксперимента Леонардо да Винчи отметил, что вода хорошо проводит звук. Однако можно вполне определенно считать, что эксперимент 1826 г. является первым случаем применения для излучения звука в воду резонансного устройства. В дальнейшем подводные колокола, возбуждаемые электромагнитными или пневматическими молоточками, использовались для измерения глубин акустическим методом и для других навигационных целей. По своей форме подводный сигнальный колокол отличался от церковного. Край его был сделан очень толстым, чтобы улучшить резонансные свойства колокола при работе в воде, акустический импеданс которой более чем в 3000 раз превышает акустический импеданс воздуха. В качестве гидрофонов в то время использовались угольные микрофонные капсулы, заключенные в металлический корпус. Для получения повышенной акустической мощности в течение некоторого времени использовались водяные сирены, подвижная часть которых вращалась в водяном баке, прикрепленном к внутренней поверхности корпуса корабля. Но в 1907 г. Появился генератор Фессендена (Рис 2.1), который и был применен для подводной сигнализации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Генератор (преобразователь) Фессендена

Генератор был создан на основе индукционного (асинхронного) двигателя с использованием электродинамического эффекта. Колебания толстой металлической диафрагмы возбуждались толстой медной трубкой определенной длины, которая могла свободно перемещаться в осевом направлении в сильном постоянном радиальном магнитном поле. Первичная обмотка, по которой протекал переменный ток, была намотана на расположенный внутри сердечник таким образом, что медная трубка представляла собой единственный короткозамкнутый виток вторичной обмотки. Индуцированный в медной трубке вторичный ток, взаимодействуя с постоянным полем, создавал переменную механическую силу. Механическая система генератора была очень массивной, чтобы преодолевать большой акустический импеданс среды. Переменный ток подводился от высокочастотного генератора, и частота выбиралась равной резонансной частоте диафрагмы, соприкасающейся с водой, так как эффективность электроакустического преобразования при возбуждении вне механического резонанса заметно падает. Генераторы Фессендена с резонансными частотами 540, 1050 и 3000 Гц выпускались промышленностью и в течение довольно длительного времени использовались на практике для подводной сигнализации и измерения глубин акустическим методом. Вплоть до тех отдаленных времен ультразвуковые волны совсем не использовались.

Рис. 2. Излучатель (преобразователь) Ланжевена

Но при разумных габаритах излучателя звук слышимых частот распространяется в воде ненаправленно. Кроме того, слышимый звук может очень раздражать пассажиров и команду корабля. С этих точек зрения, а также с учетом определенных военных применений стала ясна необходимость использования ультразвуковых волн. В 1920 г. появился подходящий ультразвуковой излучатель, предназначенный для сигнализации с подводных лодок и названный излучателем Ланжевена (Рис 2.2).

Этот излучатель представляет собой мозаику, набранную из кусков кварца Х-среза и заключенную между двумя толстыми металлическими пластинами. Если к пластинам приложено переменное электрическое напряжение, то в кристаллах кварца возникает пьезоэлектрическая вынуждающая сила, и они вместе с жестко связанными с ними пластинами начинают колебаться как единая механическая система. Частота возбуждающего электрического напряжения выбирается равной частоте основной продольной моды колебаний этой трехслойной структуры. Поверхность металлической пластины, обращенная к воде, совершает поршневые колебания, и направленность излучателя оказывается достаточной при диаметре пластины порядка 30-40 см. Противоположная поверхность другой пластины соприкасается обычно с воздухом, так что она не дает акустического излучения.

В 1933 г. были изобретены магнитострикционные вибраторы из тонких листов металла. Колеблющийся сердечник такого вибратора изготавливается в виде набора сотен склеенных между собой тонких пластин, отштампованных из листового никеля. Электрические обмотки размещаются в предусмотренных при штамповке окнах. Магнитострикционная вынуждающая сила создается переменным током, частота которого выбирается обычно равной частоте механического резонанса сердечника. Толщина отдельной пластины выбирается в соответствии с рабочей частотой с учетом магнитной проницаемости и электрического сопротивления материала так, чтобы потери на вихревые токи не превышали некоторого значения, поскольку они являются главным фактором, определяющим электроакустический коэффициент полезного действия преобразователя. Магнитострикционные преобразователи такого типа могли совершенствоваться за счет разработки новых сплавов, обладающих все большим и большим магнитострикционным эффектом и, следовательно, возможностью преобразования большей мощности. В отличие от этого излучатели Ланжевена, источник возбуждающей силы которых зависит от природы кристаллов кварца, обладали меньшими возможностями совершенствования. Их акустическая мощность ограничивалась напряжением пробоя кристалла. Кроме того, прочная и равномерная приклейка мозаики из кристаллов к большой поверхности металлической пластины, подверженной сильным переменным напряжениям, связана с техническими трудностями. Напротив, в магнитострикционных вибраторах склеиваемые поверхности в точности параллельны направлению колебаний, и поскольку речь идет о переменных механических напряжениях, нет необходимости принимать меры предосторожности для обеспечения прочности склейки. Эти преимущества магнитострикционных вибраторов способствовали быстрому вытеснению ими преобразователей Ланжевена. Далее проводились исследования различных сплавов, и в 1942 г. был получен сплав алюминия с железом, названный альфером, применение которого снизило стоимость магнитострикционных преобразователей. Вибраторы из этого сплава быстро нашли широкое применение не только в ультразвуковых эхолотах, но и в рыболокаторах различных типов. Вскоре, однако, был обнаружен большой пьезоэлектрический эффект в искусственном сегнетоэлектрике, названном керамикой титаната бария, а развитие технологических методов сделало изделия из керамики достаточно механически прочными для использования их в режиме ультразвуковых колебаний. Это произошло за промежуток времени с 1947 по 1950 г. Вынуждающая сила возникает в таком материале при воздействии на него переменного электрического поля, как и в кристалле кварца, но в данном случае нужна еще постоянная электрическая поляризация - электрическое смещение. Коэффициент электромеханической связи для керамики титаната бария значительно выше, чем для кварца, и благодаря этому снова вспомнили об излучателе Ланжевена. В связи с разработкой прочных искусственных смол, таких, как аралдит, ультразвуковые преобразователи типа Ланжевена с керамическими пластинками из титаната бария вместо кварцевой мозаики вновь вошли в практику. Высокий коэффициент электромеханической связи материала и малые диэлектрические потери в нем позволили надеяться на то, что применение таких преобразователей будет способствовать повышению общей эффективности различных ультразвуковых установок.

Рис. 3. Ферритовый магнитострикционный излучатель

Несмотря на то что упомянутые выше трудности, присущие технике сборки, не были преодолены и для преобразователя Ланжевена из титаната бария, он нашел достаточно широкое практическое применение в различной маломощной ультразвуковой аппаратуре, в частности в компактных рыболокаторах, где выступил серьезным конкурентом магнитострикционных преобразователей из альфера или никеля.

За время с 1954 по 1957 г. были получены новые полезные магнитострикционные материалы - ферриты; в результате промышленной разработки их технологии была достигнута механическая прочность ферритов, достаточная для излучения ультразвука большой мощности. Ввиду того что ферриты имеют очень высокое электрическое сопротивление, потери на вихревые токи не ощущаются для них в любом монолитном объеме материала, и вибратор может быть изготовлен сразу в окончательной форме из ферритового порошка путем прессования и последующего обжига. Электроакустический коэффициент полезного действия ферритов, очевидно, выше, чем КПД металлических магнитострикционных вибраторов, набранных из тонких пластин, и обычно превышает последний примерно в 3 раза, достигая 80-90 %. Характерные преимущества магнитострикционного преобразователя по сравнению с пьезоэлектрическим присущи любому преобразователю из ферритов. Поэтому во многих областях промышленного применения ультразвука в настоящее время используются преимущественно ферритовые преобразователи.

2.2 Классификация ультразвуковых преобразователей

Акустический излучатель - устройство, предназначенное для преобразования энергии того или иного вида в звук, энергию и излучения ее в упругую среду. По виду преобразования акустические излучатели делят на электроакустические, гидромеханические, пневмоакуcтические, парогазоакустические, взрывные и ударные. В электроакустических излучателях в звуковую энергию преобразуется электрическая энергия, гидромеханических - энергия движущейся жидкости, в пневматических - энергия движущегося сжатого воздуха, в парогазоакустических - энергия захлопывания разогретого парогазового пузыря. Основные характеристики акустических излучателей: резонансная частота, излучаемая мощность, электроакустический КПД и полоса пропускания частот. Акустический приемник - устройство, обеспечивающее прием акустических колебаний и измерение их параметров путем преобразования акустической энергии в какую-либо другую (электрическую, механическую, тепловую). Наибольшее распространение получили электроакустические приемники. В зависимости от принципа действия и конструктивных особенностей акустические приемники могут быть приемниками звукового давления, колебательной скорости, ускорения, смещения, интенсивности звука и радиального давления. Для измерения звукового давления, колебательной скорости, ускорения и смещения используют те или иные разновидности электроакустических приемников; для измерения интенсивности звука - термические приемники, радиационного давления - радиометры. Основные характеристики акустических приемников: чувствительность к измеряемому параметру и пороговый, т. е. минимальный различаемый, сигнал. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) является важнейшим элементом, определяющим достоверность УЗ-контроля. Этот сложный электроакустический прибор должен обеспечивать формирование УЗ-пучка в самых разных по конфигурации контролируемых элементах. По способам ввода УЗ-колебаний ПЭП подразделяют на контактные, щелевые, иммерсионные и бесконтактные. Контактные преобразователи нашли наибольшее применение в промышленности. Их основным недостатком является нестабильность акустического контакта в процессе сканирования преобразователя. Иммерсионный ввод УЗ-колебаний чаще всего используют при автоматизированном контроле изделий небольшого размера или изделий простой геометрической формы, например, труб небольшого диаметра. Иногда преобразователи с иммерсионной локальной ванной применяют при контроле по грубообработанным поверхностям. Особую группу составляют бесконтактные ПЭП, которые возбуждают упругие колебания в металле за счет взаимодействия переменного электрического и магнитного полей. По направлению ввода упругих колебаний в исследуемый объект ПЭП бывают прямые, наклонные, комбинированные. По конструктивному исполнению и способу подключения к электронной части дефектоскопа пьезоэлектрические преобразователи подразделяют на совмещенные, раздельно-совмещенные (PC), раздельные. В совмещенных ПЭП пьезоэлемент выполняет роль излучателя и приемника УЗ-колебаний. В PC-преобразователях функции излучателя и приемника разделены, а конструктивно они выполнены в одном корпусе. В зависимости от формы рабочей поверхности или пьезоэлемента ПЭП могут быть плоскими или неплоскими. Среди неплоских широкое распространение получили фокусирующие ПЭП. Тип ПЭП определяют сочетанием перечисленных выше признаков: контактные прямые совмещенные; иммерсионные прямые совмещенные; контактно-иммерсионные прямые; контактные прямые PC с акустической задержкой; контактные, наклонные, совмещенные с акустической задержкой; контактные наклонные PC с акустической задержкой.

2.3 Конструктивные особенности преобразователей

Основные акустические параметры наклонных преобразователей - ширина диаграммы направленности, разрешающая способность (по оси пучка), чувствительность-определяются их конструкцией, а именно: размерами и конфигурацией, углом ввода, акустическими константами призмы и степенью демпфирования. Преобразователь состоит из следующих основных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы, протектора и корпуса. Пьезопластина - является основным элементом ПЭП. Ее изготавливают из пьезоэлектрических материалов: кварца, цирконата-титаната свинца (ЦТС), титаната бария и др. Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗК в пьезоматериале на рабочей частоте. На противоположных поверхностях пластины располагаются металлические (обычно серебряные) электроды для приложения электрического поля. От формы электродов зависят работающие участки пьезопластин. Во избежание пробоя по краям пластины часто оставляют неметаллизированную полоску. Демпфер служит для гашения свободных колебаний пьезопластины, т.е. для получения коротких УЗ-импульсов, а также для предупреждения механических повреждений пьезопластин, особенно тонких. Материал демпфера и его форма должны обеспечивать достаточно сильное затухание УЗК без многократных отражений. В некоторых ПЭП (например, наклонных) демпфер часто отсутствует. Призма изготовляется обычно из износостойкого материала с небольшой скоростью ультразвука (оргстекло, полистирол, поликарбонат, деклон, капролон и др.), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломления до 90°. Размер призмы зависит главным образом от размера и формы пьезопластины. При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли следующим основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма - изделие, при этом незначительно ослабляли УЗК в самой призме. Кроме того, материал призмы должен обладать износостойкостью и смачиваемостью, а в ряде случаев и термостабильностью. Протектор защищает пьезоэлемент от изнашивания и воздействия контактной жидкости, улучшает акустический контакт при контроле контактным способом. Для повышения износостойкости преобразователя к пьезопластине приклеивают протекторы толщиной 0,1-0,5 мм из кварца, бериллия, стали, смол с порошковым наполнителем (например, порошком из компаунда или бериллия) и т. п. Протекторы также изготавливают в виде сменных пленок из эластичных пластмасс, например, из полиуретана. В этом случае между пьезопластиной и протектором вводят контактную жидкость (масло). Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех (для этого корпус из пластмассы металлизируют).

2.4 Выбор акустических параметров при проектировании

При проектировании ультразвукового технологического устройства необходимо решать следующие задачи: расчет и конструирование ультразвуковой колебательной системы, подбор источников питания и проектирование кинематики перемещения отдельных узлов установки. В процессе расчета ультразвуковых преобразователей определяют рабочую частоту, потребляемую мощность, входное электрическое сопротивление преобразователя. Этот комплекс параметров определяет возможность комплектации ультразвуковой технологической установки универсальным генератором или необходимость проектирования специализированного ультразвукового генератора. Остальные узлы ультразвуковых технологических установок проектируют с учетом специфики конкретного технологического процесса. Расчет и конструирование ультразвукового узла начинают с определения основных акустических параметров, которые обеспечивают заданные характеристики технологического процесса. Такими параметрами являются: частота, амплитуда колебаний (удельная акустическая мощность), площадь рабочей поверхности излучателя (инструмента). При этом в процессе проектирования ультразвукового узла в ряде случаев необходимо удовлетворить заданным ограничениям по массе и габаритным размерам. Рабочую частоту выбирают с учетом влияния многих факторов. Для большинства технологических процессов частота колебаний определяет эффективность самого процесса. Например, при очистке, связанной с кавитационной эрозией, эффективность растет с понижением частоты в пределах ультразвукового диапазона, производительность ультразвуковой обработки при постоянной амплитуде смещений растет с увеличением частоты. При повышении частоты уменьшаются габаритные размеры и масса колебательной системы, облегчается выполнение санитарно-гигиенических требований к шуму ультразвуковых установок, но падает амплитуда колебательных смещений и КПД системы. При определении акустической мощности необходимо учитывать назначение колебательной системы.

2.5 Резонансная частота и чувствительность преобразователя

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи являются резонансными. Поэтому расчет преобразователя следует начинать с выбора геометрических размеров, соответствующих заданной резонансной частоте. В ряде случаев необходимо решить обратную задачу - найти резонансную частоту преобразователя известных размеров. График для определения волновых размеров накладки и полной длины преобразователя приведены на рис. 4. Задачей последующих расчетов является выбор материала, определение размеров и других параметров преобразователя с целью получения заданной амплитуды колебаний на выходе преобразователя. Внутреннее сопротивление преобразователя имеет комплексный характер. Его реактивная составляющая обращается в нуль на частоте механического резонанса. При этом амплитуда колебаний достигает максимума. Активная составляющая внутреннего сопротивления преобразователя при резонансе равна сопротивлению механических потерь преобразователя. Отношение амплитуды колебаний на выходе к амплитуде электрического напряжения на входе зависит только от свойств преобразователя и характера нагрузки.

Рис. 4. График для определения резонансных размеров и симметричной колебательной системы при разном соотношении

2.6 Специальные преобразователи и контактные среды

Если один современный дефектоскоп может быть использован для контроля практически любой дефектоскопической продукции, то вариации в геометрии и типоразмере сварных швов требуют применения различных преобразователей. Полная унификация здесь невозможна. Поэтому преобразователи разрабатываются для контроля конкретных швов. Преобразователи для контроля швов труб. Основной трудностью при УЗ-контроле сварных стыков труб с толщиной стенки менее 10 мм является наличие ложных эхо-сигналов от обратного валика шва, мало отличающихся по времени и амплитуде от ожидаемых сигналов от дефектов. Кроме этого, из-за большой ширины валика шва, которая в 2-3 раза превосходит толщину стенки трубы, нельзя приблизить преобразователь к шву настолько, чтобы обеспечить прозвучивание центра шва акустической осью диаграммы преобразователя. Преобразователи для контроля по грубой поверхности. Рассмотрим некоторые конструкции специальных преобразователей, применяющихся для контроля металла и сварных швов по грубой поверхности. Широкое применение нашли эластичные преобразователи с герметизированной иммерсионной локальной ванной, внутри которой размещен пьезоэлемент. Эти преобразователи обеспечивают высокую стабильность чувствительности, однако имеют следующие недостатки: большие габариты, относительно высокий уровень реверберационных шумов, нестабильный угол ввода ультразвука в контролируемое изделие, необходимость частой замены резинового донышка ванны вследствие проколов. Эти недостатки отсутствуют у наклонных преобразователей, на рабочую поверхность которых наклеена резина. Однако преобразователи такой конструкции недолговечны. Преобразователь ИЦ-15Б со свободно скользящим трубчатым протектором не имеет указанных недостатков. В качестве материала протектора в нем используется маслостойкая резина, из которой изготавливается кольцо диаметром 28-30 мм, толщиной 0,8-1,2 мм. В кольце делается большое число проколов или сверлений. При перемещении преобразователя по изделию эластичный протектор вращается, облегает неровности контролируемого металла, что способствует улучшению акустического контакта. В зазор между преобразователем и протектором вводится масло. Преобразователи с иммерсионной локальной ванной и менискового типа фактически не требуют специальной подготовки поверхности. Они закрепляются внутри кожуха с регулируемым контактным зазором. С помощью штуцеров и двух трубок внутренний объем кожуха соединен с герметичным бачком для воды. При работе в бачке создается небольшое разряжение, которое удерживает воду внутри кожуха; в результате создается стабильный акустический контакт даже на очень грубой поверхности. Такая конструкция обеспечивает ничтожный расход воды, но допускает возможность работы лишь в нижнем положении. Хорошие результаты по повышению стабильности чувствительности ультразвукового дефектоскопа достигнуты при использовании капиллярных эффектов. Здесь возможны различные конструктивные решения. Во-первых, акустическую задержку (призму) можно выполнить из капиллярно-активных слоистых материалов, подобных тем, которые используются в сердечниках фломастеров. Во-вторых, непосредственно на рабочую поверхность обычной призмы из оргстекла можно нанести слой капиллярно-пористого протектора небольшой толщины. В-третьих, по периферии призмы можно сделать капиллярные каналы (сверлением или фрезерованием). Во всех конструкциях капилляры служат аккумулятором контактной жидкости и обеспечивают автоматическую подпитку контактного зазора, что ускоряет восстановление сплошности контактного слоя.

2.7 Электромагнитные ультразвуковые преобразователи

Создание контактной связи ультразвуковых колебаний с объектом контроля через жидкую среду является одним из главных факторов, сдерживающих широкое применение УЗ-контроля в производстве. Поэтому в настоящее время ведутся исследования по разработке бесконтактных способов возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. Наибольшие успехи достигнуты при возбуждении и приеме ультразвуковых колебаний в металлах с помощью электромагнитного поля. Разработаны специальные электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМА), принцип действия которых основан на превращении электромагнитных колебаний в акустические непосредственно поверхностью металла, находящегося в зоне преобразователя. С помощью ЭМА-преобразователей возможно также бесконтактное возбуждение рассмотренных выше волн Лэмба, Рэлея и горизонтально поляризованных поперечных (SH) волн, применение которых перспективно при контроле тонких листов и тонкостенных конструкций. ЭМА-преобразователи позволяют достаточно просто осуществить фокусировку ультразвуковых колебаний. В ряде случаев такая фокусировка получается естественным путем за счет кривизны поверхности изделия, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания. Фокусировку можно осуществить также путем смещенного по фазе управления сегментными приемно-излучающими преобразователями. К недостаткам ЭМА-преобразователей относятся их более низкий (на два-три порядка) коэффициент механической связи по сравнению с пьезопреобразователями и небольшие (1-5 мм) рабочие зазоры между ЭМА-преобразователем и поверхностью контролируемого изделия. Поэтому для получения необходимой чувствительности аппаратуры ультразвукового контроля с ЭМА-преобразователями мощность зондирующих импульсов, поступающих на ЭМА-преобразователь, должна быть существенно больше, чем при использовании пьезопреобразователей. ЭМА-преобразователи перспективны для автоматизированного ультразвукового контроля качества металлопродукции в технологическом потоке производства, в том числе и при высокой температуре.

2.8 Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от собственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаимно неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому указанная кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатитепловом расширении, откуда и происходит название "пироэлектрики". Типичным представителем пироэлектриков является турмалин. Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристаллов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плотности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механические напряжения, температура и т. д.) и гистерезис. Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой продукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздробленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлектрические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет полярный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z).

2.8.1 Области применения ПЭП

Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.

Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации.

Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например, в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов, в качестве обратных преобразователей приборов уравновешивания и т. д.

Преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, - пьезорезонаторы, имеющие максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте и резко уменьшающийся коэффициент преобразования при отступлении от резонансной частоты (т. е. высокую добротность), - используются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот. Пьезорезонаторы, включенные в цепь положительной обратной связи усилителя, работают в режиме автоколебаний и используются в генераторах. В зависимости от типа кристалла, среза и типа возбуждаемых колебаний пьезорезонаторы могут выполняться с высокостабильной, не зависящей от внешних факторов собственной частотой и с управляемой собственной частотой. Управляемые резонаторы используются в частотно-цифровых приборах как преобразователи различных, преимущественно неэлектрических величин (температура, давление, ускорение и т. д.) в частоту. Пьезоэлектрические генераторы могут применяться и как амплитудные преобразователи, работая в режиме изменения добротности, например, для фиксации соприкосновения колеблющегося кристалла с каким-либо телом. Пьезоэлементы, кроме того, используются в твердых схемах, заменяющих собой целый ряд электронных устройств. В настоящей главе рассмотрены наиболее широко распространенные преобразователи для измерения сил, давлений и ускорений и обратные преобразователи электрического напряжения в перемещение.

2.8.2 Погрешности ПЭП

Таковые складываются, прежде всего, из погрешности от изменения параметров измерительной цепи (емкости СВХ), температурной погрешности, вызываемой изменением пьезоэлектрической постоянной, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности.

Верхняя граница допустимого частотного диапазона определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний f₀ ? 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7-10 кГц.

В приведенном выше материале были рассмотрены: теория ультразвука, ультразвуковые преобразователи. Также были изучено применение ультразвуковых преобразователей для исследования тел и обнаружено, что это очень эффективное направление научно-исследовательской работы в данной области.

ультразвуковой преобразователь электромагнитный пьезоэлектрический

Список использованных источников

1. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И., Седыкин Ф.В., Смоленцев В.П., Ямпольский В.М. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Т.1. Обработка материалов с применением инструмента: Учебник. - М.: Высшая школа, 1983. - 248 с.

2. Портал "Пятифан" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://5fan.ru/wievjob.php?id=22167.

3. "Инженерные решения" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://engineering-solutions.ru/ultrasound/transducers.

4. Научная электронная библиотека "Киберленинка" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://cyberleninka.ru.

5. Центр дистанционного образования "Элитариум" [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.elitarium.ru.

6. "Physic-explorer" [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

http://www.physic-explorer.ru/ultrazvukovie_preobrazovateli-1100-1.html.

Размещено на Allbest.ru