АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
620.179.162.001
Разработка ультразвукового мозаичного широкополосного пьезоэлектрического преобразователя для бесконтактного контроля изделий из полимерных композиционных материалов
В. К. КАЧАНОВ, И. В. СОКОЛОВ, М. А. КАРАВАЕВ
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия,
e-mail: kachanovvk@mail.ru
Рассмотрены проблемы, возникающие при ультразвуковом бесконтактном контроле изделий через нерезонансный воздушный промежуток. Приведены результаты разработки высокоэффективных широкополосных низкочастотных ультразвуковых пьезопреобразователей для бесконтактного контроля изделий из композиционных материалов.
Кпючевые слова: ультразвук, мозаичный преобразователь, бесконтактный контроль, полимерный композиционный материал.
The problem of non-contact ultrasonic testing of products through a non-resonant air interval has been considered. The results of development of highly-sensitive broadband low-frequency ultrasonic piezoelectric transducers for non-contact testing of composite material products have been presented.
Key worlds: ultrasound, mosaic transducer, non-contact testing, polymer composite material.
Ультразвуковой неразрушающий контроль осуществляют, как правило, при иммерсионном контакте пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с поверхностью контролируемого изделия. Однако для некоторых объектов недопустимо применение иммерсионных жидкостей или сухого акустического контакта преобразователя с поверхностью изделий. В этом случае используют ультразвуковые бесконтактные ПЭП, работающие через воздушный промежуток и не требующие подготовки поверхности контролируемого изделия [1].
Бесконтактный ультразвуковой контроль имеет существенный недостаток — низкую чувствительность преобразователей, обусловленную отражениями ультразвуковых колебаний (УЗК) на границе сред с различными акустическими сопротивлениями: ПЭП — воздух и воздух — изделие. Для решения этой проблемы необходимы преобразователи, которые могут эффективно излучать УЗК в воздушную среду и принимать обратно. Следует использовать методы повышения чувствительности контроля, такие как возбуждение излучающего преобразователя сигналом большой мощности, применение малошумных приемных усилителей и радиотехнических алгоритмов, увеличивающих отношение сигнал—шум.
Так как ультразвуковым бесконтактным способом чаще всего поверяют изделия из полимерных композиционных материалов, обладающих большим частотно-зависимым затуханием УЗК, то для повышения чувствительности контроль проводят в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (/0 = 100 кГц). При снижении частоты до 100 кГц длина волны УЗК в полимерных композиционных материалах увеличивается до 30—40 мм. Следовательно, для работы бесконтактных преобразователей в эхоимпульсном режиме длительность зондирующего сигнала не должна превышать 1—2 периодов колебаний несущей частоты для удовлетворитель-
ной разрешающей способности контроля, что требует создания бесконтактных ПЭП с широкой полосой пропускания для неискажающего преобразования коротких широкополосных импульсов.
Бесконтактные преобразователи должны иметь большой коэффициент электроакустического преобразования, чтобы компенсировать потери амплитуды сигнала при прохождении через границы разнородных сред. Обеспечить одновременное выполнение обоих условий (широкую полосу пропускания и высокую чувствительность) в бесконтактных ПЭП не удается, поэтому в большинстве случаев используют высокодобротные, т. е. высокоэффективные, но узкополосные ПЭП, с помощью которых осуществляют бесконтактный контроль в узкополосном теневом режиме. В эхоим-пульсном режиме контроля бесконтактные преобразователи не используют [2].
Проблема по созданию низкочастотных бесконтактных ПЭП, характеризующихся высокой эффективностью и широ-кополосностью, остается актуальной и положена в основу исследований, результаты которых приведены в данной статье.
Повышение эффективности пьезопреобразователей.
Необходимая чувствительность бесконтактного контроля достигается при высоком коэффициенте электроакустического ПЭП и акустическом согласовании преобразователя с воздушной средой для уменьшения потерь на границе сред. Для повышения чувствительности часто используют ПЭП на изгибных колебаниях [3, 4], которые точнее согласуются с воздушной средой, так как их акустическое сопротивление ниже, чем у других типов ПЭП. К недостаткам изгибных ПЭП относятся чрезмерная низкочастотность, вызванная работой на частотах не выше 40 кГц [5], и неравномерность амплитуд колебаний различных областей поверхности преобразователей, что снижает направленность излучения ПЭП [6].
Иногда используют конденсаторные (электростатические) преобразователи, у которых одна из пластин конденсатора — тонкая проводящая мембрана, способная колебаться под действием падающей звуковой волны, другая же пластина неподвижна. Эффективность конденсаторных преобразователей ниже, чем пьезокерамических, однако применение таких преобразователей гарантирует более высокую точность измерений из-за использования более широкой полосы электроакустического преобразования. Недостатком электростатических преобразователей является зависимость эксплуатационных характеристик от температуры, влажности, загрязненности и т. п., что ограничивает их применение в производственных условиях и на открытом воздухе [5].
Перед разработчиками бесконтактных ПЭП стоит задача по снижению потерь сигнала на границе раздела сред, например, если через границу стали и воды проходит приблизительно 35 % сигнала, то через границу стали и воздуха — только 0,6 % [7]. Наиболее очевидный способ решения проблемы заключается в выборе толщины воздушного промежутка между преобразователем и поверхностью изделия, кратной половине длины ультразвуковой волны в воздухе. На практике не всегда возможно выполнить это условие, так как резонансный ввод ультразвукового сигнала предполагает строгое соблюдение толщины воздушного зазора. В [8] описан резонансный бесконтактный толщиномер прокатываемой фольги, в котором осуществляется воздушная связь преобразователя и изделия через зазор 40 мм на частоте f = 100 кГц. Аналогичный прибор с воздушной связью для контроля теневым методом прессованных материалов при f = 300 кГц описан в [9].
Рассмотрим бесконтактный ультразвуковой неразруша-ющий контроль изделий через нерезонансный воздушный промежуток, имеющий толщину много меньше длины акустической волны. В [10] приведен пример бесконтактного контроля изделий из полимерных композиционных материалов с сотовым заполнителем в теневом режиме, который позволяет выявить дефекты вида расслоение и непроклеи-вание площадью 10x10 мм.
Наибольший эффект достигается при использовании элементов, обеспечивающих согласование акустических сопротивлений преобразователя и воздуха. В [11] показана возможность повышения эффективности работы электроакус-
тических пьезокерамических преобразователей при применении согласующих элементов в виде плоскопараллельных слоев четвертьволновой толщины. Акустический импеданс переходного слоя определяется из соотношения
Рис. 1. Принцип конструирования (а) и амплитудно-частотная характеристика (б) мозаичного широкополосного преобразователя
, где 7п, 2в — акустические импедансы соответственно пьезокерамики и воздуха. В качестве материала для согласующих четвертьволновых слоев используют твердый (жесткий) пенопласт, имеющий волновое сопротивление, значение которого находится в промежутке между значениями акустического сопротивления пьезокерамики и воздуха. В [9] приведен пример узкополосного ПЭП с рабочей частотой 40 кГц и четвертьволновым согласующим слоем из пенопласта, позволившего обнаруживать расслоения и не-проклеивания площадью 7 см2 в многослойных полимерных композиционных материалах с коэффициентом затухания УЗК не более 50 дБ/м. Другой пример описан в [12], где в качестве согласующего слоя использована композиция из пустотелых стеклянных шариков и эпоксидной смолы, которая устойчива к воздействию окружающей среды, имеет небольшое затухание и обладает механической прочностью, соизмеримой с прочностью отвержденной эпоксидной смолы.
Известен способ повышения эффективности работы низкочастотных бесконтактных ПЭП при применении перфорированных экранов, размещенных в непосредственной близости (на расстоянии 0,1—0,3 мм) от рабочей поверхности пьезопреобразователя [4], и позволяющих расширить полосу пропускания до Л/ПЭП - 7 кГц.
Обзор существующих бесконтактных ПЭП показал, что задача создания высокоэффективных и широкополосных (с относительной полосой Л///0 до 50 %) ультразвуковых пье-зопреобразователей для бесконтактного контроля до сих пор не решена, так как основной способ расширения полосы преобразования этих приборов, основанный на механическом демпфировании пьезоэлемента (ПЭ) приводит к снижению его чувствительности.
В МЭИ был разработан новый тип составных (мозаичных) низкочастотных преобразователей для контроля изделий из полимерных композиционных материалов, обладающих одновременно и высокой эффективностью, и широкой рабочей полосой. Такой составной ПЭП представляет мозаику из стержневых поляризованных по высоте (продольно) ПЭ [13]. На первом этапе использовали ПЭ одинакового сечения и высоты, которые позднее получили широкое применение как композитные [14, 15]. На следующем этапе исследований применяли набор из п разновысоких ПЭ (рис. 1, а, б), высоту hn которых можно рассчитать по формуле
hn = h1 [ДО + 1)/ДО - 1)]п-1,
где Q — среднее значение добротности ПЭ, нагруженного на рабочую среду.
Выполнение этого условия обеспечивает суммарную полосу пропускания, состоящую из набора парциальных амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) высокодобротных недемпфированных ПЭ с частотами /р /2, /3 (рис. 1, б). С помощью мозаичной техноло-
гии можно получить относительную ширину полосы пропускания низкочастотного мозаичного ПЭП М/0 >100 %. Особенностью составного мозаичного ПЭП является возможность поступления различного по амплитуде и временной задержке сигнала на каждый ПЭ мозаичного ПЭП, что позволяет в зависимости от задачи создавать
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.