Пьезоэлектрические преобразователи. Электромагнитные ультразвуковые преобразователи

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 пьезопреобразова-телей. Как показали исследования, удовлетворитель­ная чувствительность аппаратуры с ЭМА-преобразова-телями при рабочих зазорах до 5 мм получается при индукции постоянного магнитного поля в зазоре 0,7—1,0 Тл.

ЭМА-преобразователи перспективны для автоматизи­рованного ультразвукового контроля качества металлопродукции в технологическом потоке производства, в том числе и при высокой температуре.

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 сегнетоэлек-трические 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). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точ­кой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi₃ с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO₃ с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широ­кое распространение, так как, обладая такой же чувствитель­ностью, как и ВаТiO₃, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.

2.9. Термин “Пьезоактивность”

При разработке и использовании пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей постоянно имела место конкурентная борьба между ними, а ученые, технологи и инженеры, имевшие дело с ультразвуковыми преобразователями того и дру­гого типа, часто были одними и теми же людьми.

Автор предложил в 1954 г. термин «пьезоактивные»). Этот термин был одобрен инженерами, работающими в области аку­стики, по крайней мере в Японии. Хотя данный термин предла­гается в настоящей книге впервые и по этому вопросу могут быть разные мнения, автор надеется, что читатели будут довольны связанными с употреблением этого термина простотой описаний и удобством при рассмотрении различных явлений.

Дата добавления: 2014-01-07