Преобразователи для дефектоскопии, TOFD & PA и толщинометрии

Ультразвуковые преобразователи предназначены для выявления внутренних дефектов (поры, волосовины, трещины, расслоения и др.). Обширная номенклатура пьезоэлектрических преобразователей для дефектоскопов российского и зарубежного производства: прямые, наклонные, совмещенные, раздельно-совмещенные, специализированные - более 100 типов преобразователей.

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) 

применяются в ультразвуковом неразрушающем контроле, выступая в качестве излучателя и приемника ультразвукового импульса обрабатываемого ультразвуковым дефектоскопом. Принцип действия преобразователя основан на пьезоэлектрическом эффекте – явлении возникновения электрической поляризации под действием механических напряжений.

Ультразвуковые преобразователи можно условно классифицировать по следующим признакам
По углу ввода колебаний различают:

- Прямые преобразователи вводят и (или) принимают колебания по нормали к поверхности объекта контроля в точке ввода.

- Наклонные преобразователи вводят и (или) принимают колебания в направлениях отличных от нормали к поверхности объекта контроля.

По способу размещения функций излучения и приема УЗ сигнала различают
- Совмещенные преобразователи где один и тот же пьезоэлемент, работает как в режиме излучения так и в режиме приема.
- Раздельно-совмещенные преобразователи где в одном корпусе размещены два и более пьезоэлемента, один из которых работает только в режиме излучения, а другие в режиме приема.

По частоте колебаний
- Высокочастотные ультразвуковые преобразователи условно можно ограничить диапазоном 4-5 МГц, такую частоту обычно применяют при контроле мелкозернистых заготовок небольшой толщины (обычно менее 100мм) и сварных соединений толщиной менее 20мм.
- Среднечастотные ультразвуковые преобразователи с диапазоном частот 1,8-2,5 МГц. Преобразователи с данным диапазоном частот применяются для контроля изделий большей толщины и с большим размером частиц.
- Низкочастотные ультразвуковые преобразователи с диапазоном частот 0,5-1,8 МГц, используются для контроля заготовок с крупнозернистой структурой и высоким коэффициентом затухания, например чугуна, бетона или пластика.

По способу акустического контакта
- Контактные преобразователи где рабочая поверхность соприкасается с поверхностью ОК или находится от нее на расстоянии менее половины длины волны в контактной жидкости.
- Иммерсионные которые работают при наличии между поверхностями преобразователя и ОК слоя жидкости толщиной больше пространственной протяженности акустического импульса.

По типу волны возбуждаемой в объекте контроля
- Продольные волны - колебания которых происходит вдоль оси распространения.
- Сдвиговые (поперечные) волны - колебания которых происходит перпендикулярно оси распространения.
- Поверхностные волны (волны Реллея) - распространяющиеся вдоль свободной (или слабонагруженной) границы твердого тела и быстро затухающие с глубиной.
- Нормальные ультразвуковые волны (волны Лэмба) – ультразвуковые волны, которые распространяются в пластинах и стержнях. Существуют симметричные и антисимметричные волны.
- Головные волны – савокупность акустических волн возбуждаемых при падении пучка продольных волн на границу раздела 2 твердых сред под первым критически углом.

Выбор преобразователя, зависит от параметров контролируемого объекта, таких как материал, толщина, форма и ориентация дефектов и т.д.

Выбор преобразователей по углу ввода 

(прямой или наклонный) выбирают исходя из схемы прозвучивания конкретного объекта. Схемы прозвучивания содержатся в государственных и ведомственных стандартах, а так же технологических картах контроля. В общем случае угол ввода выбирают таким образом, что бы обеспечивалось пересечение проверяемого сечения акустической осью преобразователя (прямым или однократно отраженным лучем). Выявление дефектов выходящих на поверхность наиболее эффективно обеспечивается при падении поперечной волны под углом 45°±5° к этой поверхности.

Выбор преобразователей по схеме включения

 (совмещенный или РС) выбирается в зависимости от толщины изделия или расстояния зоны контроля от поверхности ввода. Прямые совмещенные преобразователи обычно применяют при контроле изделий толщиной более 50мм, а прямые РС преобразователи для контроля изделий толщиной до 50мм включительно, или приповерхностного слоя до 50мм.

Наклонные РС преобразователи в основном используются по совмещенной схеме включения. Наклонные РС преобразователи с поперечной волной используют преимущественно для контроля сварных соединений тонкостенных (до 9мм) труб диаметром не более 400мм (хордовые преобразователи). Наклонные РС преобразователи с продольной волной применяют для контроля соединений с крупнозернистой структурой и высоким уровнем шумов (аустенитные швы).

Выбор преобразователи по частоте колебаний, выбирается в основном исходя из толщины ОК и требуемой чувствительности контроля. Благодаря более короткой волне, высокочастотные преобразователи позволяют находить дефекты меньшего размера, тогда как УЗ волны низкочастотных преобразователи глубже проникают в материал, т.к. коэффициент затухания уменьшается с частотой. Низкочастотные преобразователи применяются при контроле крупнозернистых материалов и материалов с высоким коэффициентом затухания.

При выборе частоты надо учитывать, что ее увеличение вызывает

• увеличение ближней зоны.
• уменьшение мертвой зоны, связанное с уменьшением длительности свободных колебаний пьезоэлемента.
• улучшение лучевой и фронтальной разрешающей способности.
• сужение характеристики направленности.
• увеличение коэффициента затухания и связанное с ним падение чувствительности на больших толщинах.
• увеличение уровня структурных шумов в крупнозернистых материалах; уменьшение уровня собственных шумов преобразователя, связанное с увеличением затухания звуковой волны в элементах преобразователея при возрастании частоты.