Порядок выполнения работы

1. Для записи опорного сигнала Reference нажмите кнопку Graph в окне №1.

2. Если в процессе измерений были использованы нейтральные светофильтры, задайте их нажатием на соответствующие кнопки.

3. Для записи сигнала Sample, прошедшего образец, нажмите кнопку Graph в окне №2.

4. Для сохранения результатов измерений на диске компьютера задайте имя для директории и обязательно нажмите CHdir.

5. После выполнения п.4 для сохранения сигналов на диске компьютера нажмите соответствующие кнопки Save.

6. Для нахождения дисперсии затухания и скорости звука используйте программное окно №3 задайте сначала толщину образца и параметры иммерсионной жидкости и образца (плотности образца и жидкости и скорость ультразвука в жидкости) нажав кнопку Load.

7. Для дальнейшей обработки данных нажмите кнопку Data treatment.

8. Для сохранения результатов вычислений на диске компьютера нажмите кнопку Save в окне №3.

Результаты измерений

Результатом измерений являются следующие зависимости:

1. Ratio – отношение спектров опорного сигнала reference и сигнала Sample, прошедшего через образец;

2. α (ƒ) – зависимость спектра затухания ультразвука от частоты;

3. c (ƒ) – завимость фазовой скорости ультразвука от частоты

4. α /ƒ²(ƒ²) – зависимость, используемая для анализа распределения неоднородностей образца по размерам

Содержание отчета

1.  Назначение и сущность метода лазерного возбуждения ультразвука в геоматериалах

2. Блок-схема установки

3. Технические характеристики установки

4. Спектры опорного прошедшего через образец сигналов

5. Зависимость спектра затухания α(ƒ) от частоты.

6. Зависимость α/ƒⁱ(ƒ²), используемая для анализа распределения неоднородностей образца по размерам.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается термоупругий эффект?

2. Перечислите области применения лазерно-ультразвуковой спектроскопии. Перечислите основные узлы и их назначение в установке «Геоскан-02М».

3. Дайте краткое описание спектральных и временных характеристик ультразвуковых сигналов прошедших через исследуемые образцы горных пород.

4. На основе исследований спектра затухания охарактеризуйте структурные неоднородности образцов.

5. Фазовый и амплитудный спектры импульсов продольных волн при быстром Фурье преобразовании.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Цель работы. Изучить устройство и научиться измерять основные характеристики пьезопреобразователей с использованием стандартных образцов СО-2 и СО-3.

Предпосылки к работе

Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) являются важнейшим элементом приборов ультразвукового контроля (дефектоскопов и толщиномеров). ПЭП предназначены для ввода импульсов упругих волн в объекты контроля (ОК). В ПЭП электрические импульсы, поступающие от генератора дефектоскопа, преобразуются пьезоэлементом в акустический ( при излучении) и затем обратно акустические импульсы – в электрические ( при приеме упругих волн, отраженных от несплошностей или донной поверхности ОК). ПЭП, в которых пьезоэлемент соединен одновременно с генератором и усилителем прибора высокочастотным кабелем. Если функции излучения и приема разделены, то есть в ПЭП используют два пьезоэлемента, изолированных друг от друга электроакустическим экраном, то такие ПЭП называются раздельно-совмещенными. В раздельно-совмещенных преобразователях один пьезоэлемент соединен с генератором, другой с усилителем. Основные типы ПЭП эхо-импульсных дефектоскопов показаны на рис. 1.

Рис. 1. Основные типы УЗ преобразователей

Главным элементом пьезопреобразователей является пьезопластина 1, совершающая колебания по толщине и создающая в объекте контроля или призме самого преобразователя волны сжатия – напряжения (продольные волны). Одновременно вторая поверхность пьезопластин излучает продольные волны в демпфер 2, который приклеивается к пьезопластине (рис.1, для наклонного ПЭП демпфер для упрощения не показан). Продольные волны в демпфере должны быстро затухать, иначе они попадают на пьезоэлемент и создают помехи (реверберационные шумы преобразователя). Поэтому демпфер изготавливают из материала с очень высоким коэффициентом затухания (эпоксидные компаунды с порошком ферровольфрама). Демпфер должен иметь достаточно высокий характеристический импеданс (произведение плотности на скорость волн), чтобы на границе «пьезоэлемент-демпфер» не возникали переотражения волн, которые создают помехи. Протектор 3 предохраняет пьезопластину от повреждений. Его толщину и характеристический импеданс выбирают такими, чтобы коэффициент прозрачности (прохождения) был максимальным. В этом случае основная доля энергии, излучаемой волны ( в РС установлен электроакустический экран 7, чтобы изолировать излучающую пьезопластину, поэтому в РС преобразователях уровень реверберационных шумов значительно ниже). Наклонные ПЭП могут излучать все типы волн, но, как правило, эти ПЭП используют для излучения-приема поперечных волн. Для этого угол преломляющей призмы β (рис. 1б) выбирают между первым и вторым критическими углами. Пьезопластина излучает продольные волны, которые распространяются в призме и на границе «призма-ОК» трансформируется в вертикально поляризованные поперечные волны. При угле призмы меньше первого критического наклонный ПЭП излучает и продольные, и поперечные волны. При втором критическом угле наклонный ПЭП излучает-принимает поверхностные волны. В качестве материала призм используют пластмассы: оргстекло, полиамид и др.

Основной характеристикой пьезопреобразователей является чувствительность. Она зависит от коэффициента двойного преобразования К_Д=u’/u - отношение амплитуды u’ электрического напряжения принятого сигнала к амплитуде u напряжения возбуждающего преобразователь электрического генератора без учета промежуточного ослабления ультразвука в результате затухания и расхождения лучей. Коэффициент двойного преобразования зависит от пьезосвойств пьезопластины (коэффициента электромеханической связи, пьезомодуля), соотношения характеристчиеских импедансов пьезопластины, демпфера и среды, в которую излучается ультразвук, частоты и добротности электрического колебательного контура, соединенного с пьезопластиной.

В практике УЗ контроля чувствительность ПЭП определяют совместно с дефектоскопом на государственных стандартных образцах СО-1, СО-2 и СО-3 по ГОСТ 14782-86, используя при этом понятие «условная чувствительность». Например для определения условной чувствительности по СО-2 используют эхо-сигнал от цилиндрического отражателя 6 мм на глубине 44 мм (для ПЭП с частотой от 1.8 до 5 мГц и углов ввода 35-65⁰) или на глубине 15 мм (для частот 5 МГц и более, углы ввода 65⁰ и более). В этом случае условная чувствительность – это значение амплитуды эхо-сигнала от указанного отражателя, измеренная в децибелах. При контроле условную чувствительность используют, чтобы показать, насколько нужно изменить чувствительность контроля относительно настройки по СО-2 с целью выявления дефектов с заданной эквивалентной площадью. Понятие условной чувствительности нужно для того, чтобы запомнить и воспроизвести чувствительность дефектоскопа при замене ПЭП на другой того же типа, т.к. преобразователи одного типа имеют разные коэффициенты двойного преобразования.

Зависимость коэффициента двойного преобразования от частоты называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) преобразователя. На рис. 2 в качестве примера показан модуль коэффициента двойного преобразования – АЧХ преобразователя в пьезопластиной из ЦТС-19 и демпфером с характеристическим импедансом Z_g=6*10⁶ кг/м²с, пьезопластина излучает в призму из оргстекла, кривые соответствуют разным добротностям электрического колебательно контура Q_э.

Рис. 2. Амплитудно-частотные характеристики для коэффициента двойного преобразования пьезопластины из ЦТС, излучающей в призму из оргстекла. На нижней кривой полоса – полоса пропускания.

Основными параметра АЧХ являются: рабочая частота ƒ₀ и ширина полосы пропуская(ƒ_max - ƒ_min)/ ƒ₀. Поскольку чувствительность ПЭП рассматривается при излучении и приеме, то за крайние значения частоты ƒ_max и ƒ_min приняты значения, на которых коэффициент двойного преобразования уменьшается в 2 раза относительно максимума( а не на , как это принята в теории колебаний). Частота ƒ₀ близка к собственной частоте колебаний пьезопластины по толщине. Если АЧХ имеет два максимума, то за рабочую частоту ƒ₀ принимается значение . Максимальная широкополосность достигается при оптимальном согласовании пьезопластины с нагрузкой(демпфером и призмой), тогда два максимума сливаются, на рис.2 это наблюдается при добротности электрического контура Q_э=3,5. Это достигается за счет применения четвертьволновых согласующих слоев между пьезоэлементом и демпфером и пьезоэлементом и призмой.

От полосы пропуская ПЭП зависит длительность импульса, чем шире полоса пропуская, тем более короткие импульсы может излучать и принимать преобразователь. Длительность импульса можно измерить, если вывести на экран дефектоскопа недетектированный сигнал (радиоимпульс), многие современные дефектоскопы такую функцию имеют. Длительность импульса измеряют также, подключая осциллограф ко входу дефектоскопа.

Рассмотрим следующие параметра ПЭП – реверберационно-шумовую характеристику и соотношение полезный сигнал/шум. Реверберационно-шумовой характеристикой (РШХ) называют зависимость среднего значения уровня шумов от их положения в развертке. Для совмещенных ПЭП средний уровень шумов на экране уменьшается по мере их удаления от зондирующего импульса. При нахождении РШХ измеряют амплитуду шумов с помощью аттенюатора дефектоскопа в децибелах (например, относительно стандартного уровня – половина высоты экрана) для различных точек развертки, например, 0; 5; 10 мм и т.д., затем строят соответствующую зависимость. Соотношение сигнал/шум есть повышение полезного сигнала над средним уровнем шумов в том месте развертки, где находится этот сигнал. По существу соотношение сигнал/шум есть разность амплитуд (в дБ) полезного сигнала и среднего уровня значения шума.

Для наклонных совмещенных и раздельно-совмещенных преобразователей дополнительной характеристикой является угол ввода. Угол ввода ПЭП измеряют на государственном стандартном образце СО-2.

Для этого устанавливают ПЭП на СО-2 и получают максимальный эхо-сигнал от отражателя W6 мм на глубине 44 мм (для ПЭП с углами 65⁰ и частотой до 2,5 МГц), отсчет углов проводят по соответствующей шкале; вторую шкалу углов используют для ПЭП с частотой более 2,5 МГц и углами более чем 65⁰.

Для РС преобразователей измеряют фокусную глубину – это глубину от поверхности до отражателя, дающего максимальный эхо-сигнал (этот отражатель находится в точке пересечения акустических осей пьезоизлучателя и приемника преобразователя).

Следующей важной характеристикой ПЭП является диаграмма направленности (ДН). Диаграмма направленности излучения(приема) – это зависимость амплитуды (или интенсивности) акустического поля от угла φ между акустической осью и направлением луча, исходящего из центра пьезопластины. По определению расстояние от рассматриваемой точки на луче до центра пьезоэлемента остается постоянным. Измерение ДН производят на полуцилиндрических образцах, в центре которых устанавливают исследуемый преобразователь. Точечный приемник дискретно перемещают по цилиндрической поверхности и записывают значение амплитуды принятого сигнала. Указанная схема измерений достаточно сложна в реализации, т.к., например, для наклонных преобразователей приемник необходимо либо приклеивать к образцу, либо использовать бесконтактный приемник поперечных волн (например, ЭМА-преобразователь). В практике контроля используют не ДН по излучению Ф(φ),а диаграмму направленности по излучению-приему Ф²(φ), определяемую как изменение амплитуды эхо-сигнала от ненаправленного отражателя (т.е. одинаково отражающего при любом направлении падающей волны). Таким отражателем может служить цилиндрический отражатель W6 мм в образце СО-2. Ф²(φ) снимают экспериментально, измеряя амплитуду эхо-сигнала от указанного отражателя, перемещая преобразователь по поверхности СО-2. Этот образец удобен тем, что по его шкалам можно непосредственно считывать углы α. Схема измерения показана на рис. 3. Максимальный эхо-сигнал наблюдается, если на отражатель падает центральный луч (положение 1 преобразователя, рис.3). В положение 2 на отражатель падает боковой луч, ДН, амплитуда эхо-сигнала уменьшается. Поскольку расстояние от точки ввода ПЭП до отражателя не является постоянным (хотя изменяется незначительно), то полученную экспериментально зависимость называют условной диаграммой направленности.

Рис. 3. Схема измерения диаграммы направленности излучения – приема наклонного ПЭП на образце СО-2.

Для наклонных преобразователей важной характеристикой является путь в призме (в мм) или задержка в призме (в мкс). Значение этой характеристики упрощает процедуру настройки глубиномера дефектоскопа. Измерение задержки в призме можно проводить на образце СО-3. Задержку в призме находят на основании формулы:

Где t₁ – общее время прохождения ультразвука в призме ПЭП и стали обращца СО-3 при установке преобразователя в положение, соответствующее максимальной амплитуде эхо-сигнала; 33,7 мкс – время распространения УЗ импульсов в СО-3 в прямом и обратном направлениях при радиусе образца – 55 мм и скорости поперечных волн – 3,26 мм/мкс.

Описание установки

Работы выполняют на установке, собранной по схеме рис. 4.

Перед выполнением работы ознакомиться с описанием или руководством по эксплуатации дефектоскопа и осциллографа. Подключить осциллограф и исследуемый ПЭП к УЗ дефектоскопу.

Рис. 4. Схема лабораторной установки