Возбуждения ультразвуковых

Для бесконтактного возбуждения и приема ультразвука очень важен вопрос согласования датчика с генератором при возбуждении и датчика с усилителем при приеме ультразвука. Особую важность согласование приобретает при работе параметрического датчика в совмещенном варианте. Известно, что у накладных параметрических датчиков полоса пропускания несколько шире [1] по сравнению с другими типами датчиков, следовательно, их использование желательно при соответствующем их согласовании с передающими и приемными цепями.

На рис. 2 показана зависимость частоты возбуждаемого ультразвука от зазора для дюрали, трубной стали без окалины и с окалиной и феррита (Ф-600). Частота измерялась по методу, предложенному Ю. М. Штреммером [3], с точностью порядка 5%. Из графиков видно, что с ростом зазора для металлов частота возбуждения ультразвука падает, асимптотически приближаясь к частоте собственных колебаний контура ударного возбуждения при отсутствии возмущающей среды, т. е. свободного контура. Из кривых также видно, что наименьшее изменение частоты наблюдается для

Рис. 2. Зависимость частоты возбуждения ультразвука от зазора: 1 — для дюрали; 2 — трубной стали без окалины; 3 — трубной стали с окалиной;

А. П. Кулеш. Влияние зазора на частоту возбуждения ультразвука в токопроводящих средах при электромагнитоакустическом способе ввода " 243

Влияние зазора на частоту возбуждения ультразвука в токопрово-дящих средах при электромагнитоакустическом способе ввода. К у-

Исследована зависимость частоты возбуждения ультразвука при ЭМА способе ввода от зазора. Показано, что наряду с изменением частоты при возбуждении ультразвука с помощью контура ударного возбуждения изменяется и длительность зондирующего импульса, а следовательно, изменяется разрешающая способность и мертвая зона ультразвуковых устройств, работающих в эхо-импульсном варианте.

Возьмем для описания высокочастотной катушки в режиме излучения параллельный R, L, С-контур ударного возбуждения, настроенный на собственную частоту, которая определяет частоту возбуждения ультразвука в металле, с добротностью Q. В качестве индуктивности контура может служить плоская катушка в виде «спирали Архимеда», «бабочки» или рамок. Если генератор посылает на контур мощность Р, индуктивность катушки в контуре L (Q — его добротность, время нарастания и спада импульса от ОД до 0,9 в катушке Гн; «с — собственная частота контура), то пиковая амплитуда тока в контуре [2] _

В работе [1] приемная и излучающая катушки рассматривались как независимые устройства. Однако в практике ЭМА возбуждения и приема ультразвука прием часто желательно производить датчиком с одной и той же высокочастотной катушкой, что и возбуждение, потому что он возбуждает и принимает УЗК волны одной поляризации, что очень важно при работе со сдвиговыми волнами [2]. Кроме того, если для возбуждения ультразвука в качестве индуктивного элемента (или части его) контура ударного возбуждения применяется высокочастотная катушка, то контур ударного возбуждения является самонастраивающейся системой относительно резонансной частоты в зависимости от зазора, так как изменяется вносимый в контур импеданс [3, 4]. Следовательно, частота возбуждения ультразвука при ЭМА способе возбуждения есть функция зазора, что необходимо учитывать при приеме ультразвуковых колебаний, т. е. желательно возбуждение и прием ультразвуковых колебаний осуществлять датчиком с одной катушкой.

С.А. Филимоновым предложен резонансный метод контроля ферритовых пластин. Для возбуждения ультразвука использован магнитострикционный эффект в самой пластине. Нарушение режима спекания приводит к уменьшению амплитуды

Ранее рассматривалось распространение и поведение ультразвуковых волн в различных веществах, причем об их возбуждении говорилось не больше того, что они возникают в веществе при контакте его поверхности с поверхностью излучателя, который создает волны желаемой формы и частоты. Предполагалось, что они обнаруживаются микрофоном, который тоже имеет контактную поверхность с веществом и позволяет измерить звуковое давление падающей на него волны. Оба эти устройства в технике ультразвукового контроля называют искателем, более конкретно излучающим или приемным искателем. Теперь следует рассмотреть принцип их действия, который почти во всех случаях без исключения основывается на пьезоэлектрическом эффекте. Другие способы возбуждения ультразвука будут описаны в главе 8,

Рис. 8.1. Формы импульса света для возбуждения ультразвука:

В принципе при возбуждении ультразвука световыми импуль~ сами возникают волны всех типов (рис. 8.3), причем имеется возможность предпочтительного возбуждения волн определенного типа. Так, если работа ведется с плазмой перед поверхностью образца, то возникают, например, преимущественно про-

В качестве источников энергии в ультразвуковых дефектоскопах для возбуждения ультразвуковых колебаний используют электронные генераторы. Получаемые в них. электрические импульсы преобразуются в ультразвуковые механические колебания с помощью преобразователей, основанных на пьезоэлектрическом эффекте.

Лазерный способ возбуждения ультразвуковых колебаний является весьма перспективным, учитывая большую амплитуду ультразвуковых волн, возбуждаемых лучом лазера. При разработке установок целесообразно сочетать этот способ возбуждения с неоптическими бесконтактными способами приема, например электромагнитным, . отличающимися более высокой чувствительностью.

Лазерный способ излучения и приема акустических колебаний отличается большой широкополосностью — от 0,05 до 100 МГц. Этот способ возбуждения ультразвуковых колебаний весьма перспективен благодаря большой амплитуде получаемых с его помощью акустических волн. При разработке практических установок целесообразно сочетать этот способ возбуждения с неоптическими бесконтактными способами приема, например электромагнитным, отличающимся более высокой чувствительностью.

При возбуждении ультразвуковых волн электромагнитно-акустическим методом в ферромагнетиках колебания возникают как за счет взаимодействия вихревых токов с постоянным магнитным полем, так и за счет магнитострикционнык сил. Экспериментальные исследования Г. А. Буденкова, А. Ф. Маскаева, С. Ю. Гуревича {1—3] показали, что ультразвуковые волны в инварных сплавах, техническом железе, хромистых и углеродистых сталях возбуждаются за счет магнитострикционных сил. Особенно эффективно возбуждение ультразвуковых волн за счет магнитострикционных сил происходит при повышенных температурах. Таким образом, для выяснения закономерностей возбуждения ультразвуковых волн в ферромагнетиках наряду с амперовыми силами необходимо учитывать магнитострикционные силы. К сожалению, до сих пор не существует корректного аналитического выражения для объемной плотности магнитострикционных сил в ферромагнетиках. При анализе магнитострикционных явлений в ферромагнитных поликристаллах обычно пользу-ются выражением для объемной плотности магнитострикционных сил в парамагнетиках, которое было впервые получено Таимом {4]:

Ка>к показали экспериментальные исследования [1, 2], при возбуждении ЭМА методом ультразвуковых колебаний в ферромагнитных материалах при повышенных температурах коэффициент преобразования электромагнитной энергии в упругую увеличивается. Особенно резко возрастает амплитуда ультразвукового импульса при подходе к точке Кюри. В связи с этим весьма актуальна задача теоретической интерпретации характера возбуждения ультразвуковых колебаний при повышенных температурах. Возбуждение ультразвуковых колебаний ЭМА методом в ферромагнитных материалах происходит за счет взаимодействия вихревых токов с индукцией постоянного магнитного поля и за счет маг-нитострикционных сил. При повышении температуры индукция постоянного магнитного поля В, а также электропроводность среды уменьшаются, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний, возбуждаемых за счет амперовых сил.

Струйные генераторы служат также для возбуждения ультразвуковых колебаний в промежуточной жидкостной среде, откуда они передаются через дно и стенки второй, внутренней ванны, в которой находится моющий раствор.

В качестве растворителя применяют трихлорэтилен, перхлор-этилен, растворы серной кислоты, каустической соды, воды. В зависимости от режима процесс очистки может длиться от долей секунды до нескольких минут. Для возбуждения ультразвуковых колебаний присоединяют магнитнострикционные, кварцевые, пьезоэлектрические вибраторы.

Высокочастотные колебания используют для очистки мелких шарикоподшипников, удаления шлифовочных и полировочных паст из отверстий и углублений деталей "часов и прецизионных приборов, очистки контактов реле и т. д. Для возбуждения ультразвуковых волн в жидкости применяют различные методы преобра-

При пайке алюминия и его сплавов чаще всего используются оловянно-цин-ковый (90% олова и 10% цинка) или оло-вянно-кадмиевый припой. Оловянно-цин-ковый припой вызывает наименьшую электролитическую коррозию основного металла. На механизм ультразвуковой пайки большое влияние оказывает возникающая в расплавленном припое кавитация. Рабочий стержень ультразвукового паяльника, нагреваемый от обычного теплового элемента, расплавляет припой, который затем растекается по поверхности спаиваемого шва. При возбуждении ультразвуковых колебаний стержня паяльника в силу мощных гидравлических ударов, образующихся при захлопывании кавитационных пузырьков, окисная пленка разрушается и расплавленный припой получает доступ к чистой поверхности основного металла, что обеспечивает хорошее качество спая (фиг. 32). Наибольшая эффективность процесса получается при низкочастотных ультразвуковых колебаниях, так как интенсивность кавитации повышается при уменьшении частоты. Поэтому для возбуждения ультразвуковых колебаний при пайке используются магнитострикционные вибраторы. Для того чтобы стержень паяльника не разрушался под действием кавитации, он должен быть прочнее окисной пленки. Поэтому рекомендуется изготовлять его из сплава серебра с никелем или покрывать слоем хрома.

туду колебаний теплообменной поверхности поддерживать на уровне 0,4—0,5 мкм в каждой ее точке. Подача ультразвуковых колебаний на корпус теплообменного аппарата из-за их затухания в большой массе металла не может обеспечить достаточно эффективного возбуждения ультразвуковых колебаний на трубных элементах.

Искатель при контроле материала предназначается для возбуждения ультразвуковых волн в изделии и для их обнаружения. В главе 7 уже было показано, что преобразование электрической энергии в ультразвук и обратно может быть осуществлено пьезоэлектрическими материалами.