Ультразвуковые волны — это упругие колебания материальной среды с частотами, превышающими предел слышимости (свыше 20 кгц), и очень малой длиной волны. Эти волны получают путем использования пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов, а также механическим и термическим способами.
В ультразвуковой дефектоскопии используется пьезоэлектрический и магнитострикционный эффекты.
Пьезоэлектрический эффект основан на том, что в некоторых материалах при приложении механических напряжений возникают электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект) и, наоборот, при воздействии электрического поля на материал в нем возникают механические напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом относятся кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната, бария и др. Каждый кристалл характеризуется главными осями: электрической х, механической у и оптической z (черт. № 150). В зависимости от назначения из кристалла кварца могут быть вырезаны пластинки под самыми различными углами к этим осям.
В ультразвуковой технике чаще всего используют пластинки среза х, вырезаемые перпендикулярно к электрической оси х кристалла. Если такую пластинку по направлению оси х подвергать сжимающим или растягивающим усилиям, то на противоположных поверхностях пластинки будут возникать отрицательные и положительные заряды (черт. № 151), которые по величине пропорциональны приложенному усилию.
черт. № 150. Схема расположения главных кристаллографических осей в шестигранном кристалле кварца:
х — электрическая, у — механическая и z — оптическая оси
черт. № 151. Схема пьезоэлектрического эффекта:
а — растяжение и сжатие пластинки среза х по оси х; б — растяжение или сжатие пластинки среза х по оси и
Для излучателей и приемников поперечных волн или волн сдвига используют пластинку среза у, которую вырезают так, чтобы ее поверхность была перпендикулярна к механической оси кристалла. Усилие сжатия или растяжения вдоль оси г не вызывает появления зарядов.
Кроме кристаллов кварца, широкое распространение в промышленности получили кристаллы сегнетовой соли. Несмотря на высокие прочностные и термические свойства, пьезоэффект кварца значительно ниже пьезоэффекта кристаллов сегнетовой соли. Пьезоэлектрические свойства кристалла сегнетовой соли несколько отличаются от пьезоэлектрических свойств кристалла кварца. Для получения пластинки из кристалла сегнетовой соли, которая работала бы попеременно на растяжение и сжатие, ее вырезают перпендикулярно к оси х, но под углом 45 к осям.
Пьезоэффект такой пластинки получается во много раз больше, чем у кварца.
Для увеличения площади излучателя или приемника ультразвуковых волн вырезанные таким образом пластинки соединяют в пакеты. Каждая пластинка покрывается токопроводящим слоем или обклеивается тонкой фольгой.
Для возбуждения и приема ультразвуковых волн пластинки, вырезанные из кристаллов, монтируются в специальных металлических обоймах — щупах.
В зависимости от вида волн и направленности колебаний щупы могут быть прямые, наклонные (призматические) и т. д. Для подачи продольных волн перпендикулярно к исследуемому материалу используют прямые щупы, а при подаче колебаний под углом к поверхности исследуемого материала используют наклонные щупы.
Магнитострикционный эффект основан на том, что под действием магнитного поля некоторые металлы и их сплавы обладают свойством сжиматься или расширяться. К таким металлам относятся железо, кобальт, никель и другие металлы и сплавы. В качестве простейшего магнитострикционного излучателя может быть использован металлический стержень (из магнитострикционного металла), на который надевается катушка. Если по обмотке катушки пропускать переменный ток, то в ней возникает переменное магнитное поле, которое при изменении размеров стержня возбуждает в нем механические колебания в такт с колебаниями тока.
При колебаниях стержня торец его излучает ультразвуковые волны. Если стержень из магнитострикционного металла пропустить в отверстие, проделанное в сердечнике трансформатора, через обмотку которого проходит переменный ток, то торец стержня благодаря колебаниям также будет излучать ультразвуковые волны (черт. № 152).
По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями магнитострикционные преобразователи используются в промышленности для получения более мощного ультразвукового излучения, они просты в изготовлении и более экономичны в эксплуатации.
Ультразвуковые преобразователи. Ультразвуковая установка, предназначенная для контроля материалов без разрушения, состоит из двух основных частей — электрического высокочастотного генератора и ультразвукового преобразователя. Электрический генератор служит для преобразования промышленного переменного тока в токи высокой частоты.
В зависимости от необходимой частоты тока в ультразвуковой технике используются машинные и ламповые генераторы. В испытательной технике наибольшее распространение получили ламповые генераторы, обладающие простотой настройки и обеспечивающие высокую стабильность частоты. Ультразвуковые преобразователи предназначаются для возбуждения и приема ультразвуковых волн, которые затем преобразовываются в электрические сигналы, усиливаются ламповыми усилителями и регистрируются с помощью электроннолучевых трубок.
Ультразвуковые преобразователи могут быть пьезоэлектрическими й магнитострикционными. Пьезоэлектрические преобразователи питаются от электрических ламповых генераторов, выполненных по схемам с самовозбуждением в виде однокаскадного генератора с лампой, обеспечивающей необходимую мощность. Магнитострикционные преобразователи питаются от электрических ламповых генераторов, выполненных по схеме независимого возбуждения, чем достигается стабильность получаемых частот.
