Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний

Aau(co)=^Kuu(co)-10 1g [tfZ_n (со) (К Su )²]; (11)

Киа (со) = у-Кии (со) + 10 lg [HZl₃ (_w) (Киа )-²], (12)

где Кии (со) — амплитудно-частотная характеристика, дБ;

Z„.3 — электрическое сопротивление ПЭП, Ом; KSuiua) — опорный уровень, Киа =1 B/Па; (KSu =1 Па/В); Н — параметр взаимности, равный Н'^^г ; a't — коэффициент затухания звука; в материале нагрузки на частоте мм^-1.

При измерении Кии в теневом варианте с использованием двух дополнительных ПЭП, значения каждого Кии вычисляют по фор­

муле Кии = Кии (1,6)+Кии {І, і)—Кии

где і, k, 1—1, 2, 3; Kuti —коэффициент преобразова­

ния Кии і-го ПЭП, дБ; Кии (і,6)=і7*п—— коэффициент преоб­разования преобразователей с номерами і и k, измеренный в те­невом варианте. £7*_п — амплитуда напряжения эхо-импульса 1-го ПЭП, дБ; и^к_и•—амплитуда импульса возбуждения 6-го ПЭП, дБ..

Значения Н' вычисляют по формуле Н' = Н_ал- 10^-н/2°, где Нпл ⁼ 2 S/qu; 5 — плошадь рабочей поверхности ПЭП, м²; q — плотность материала нагрузки, кг/м³; v — скорость звука в мате­риале нагрузки, м/с. Значения Н для прямых ПЭП, нагруженных на воду, органическое стекло, алюминиевый сплав Д16Т, сталь 45, приведены в черт. 16—20 для различных значений безразмерных параметров:

6a = 2n/‘a/u; kz=2nf^lz/v, (13)

где — частота, Гц; а — радиус (или половина стороны квадра­та) пьезопластины, м; z — путь, пройденный акустическим сигна­лом в нагрузке, м.

Когда конструкция ПЭП или материал акустической нагрузки не позволяют воспользоваться для вычисления парамет­ров взаимности черт. 16—20, значения Н должны быть указаны в технических условиях на конкретный тип ПЭП.

Значения параметра взаимности Н для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на воду

/_fta=10; 2-fca=15; 3-fta=20; 4-ka=25; 5-ka=30; 6 - ka=35-: 7-Aa=40; 8-ka=50- s-ka=60- 10—ka=70-, ll—ka=30; 12—ka=90; 13—Aa=100; 14—ka= = 150; 15—fca=160—400; 16—fca=500— '”"0

Черт. 16Значения параметра взаимности Н для ПЭП с
квадратной пьезопластиной, нагруженного на воду

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0000 5500 Кг

—200 400

Черт. 17

Значения параметра взаимности И для ПЭП
с круглой пьезопластиной, нагруженного на
органическое стекло

=6,0; S—*c=7,5; 9—*а=10,0; 10—*а = 12,5; //—*а=15,0; /2—*а=20,0; 13— fe$=35

Значения параметра взаимности Н для ПЭП с
круглой пьезопластиной, нагруженного на
алюминиевый сплав Д16Т

Черт. 19

Значения параметра взаимности Н для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на сталь 45

= 16,0; 8—Аа=18,0; 9—Аа=20,0; 10—*а=22,0; 11—/га=26,0; 12—ka=30,0; 13— fea=40,0; 14—ka=60,0—120,0

Ширину полосы пропускания Afauiuo). МГц, вычисляют по формуле

AfoU(Ua) = faU(Ua)—faU(Ua) . (14)

ГДЄ faU(Ua) , f oU(Ua) —СООТВЄТСТВЄННО ВерХНЯЯ И НИЖНЯЯ границы интервала частот, МГц, включающего в себя f _aU(ua) . на которых /^ои(иа) (ч') принимает значения на уровне минус 3 дБ.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики Bauiua) > МГц, вычисляют по формуле

_B

aU(Ua) “A cU(Ua) —AoU(Ua) »

где /Саи^л(тах) > Лїїа^П(max) —минимальные (максимальные) значения K_av (to), Киа (to), соответственно, в рабочей области частот ПЭП.

В этих случаях допускается измерение К ua(au) выполнять на частоте, равной номинальному значению /ши.

Измерения следует проводить на установке, схема которой при­ведена на черт. 1.

Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандарт­ные образцы должны соответствовать пп. 1.9, 1.11 и табл. 1, ос­циллограф — п. 2.1.

Измерение Тпр следует проводить с использованием трех од­нотипных ПЭП. Один из них подключают к генератору, а второй — к приемнику УПНК. Устанавливают прямые совмещенные ПЭП, как показано на черт. 21а, раздельно-совмещенные ПЭП и нак­лонные ПЭП — на черт. 216. Притирая рабочие поверхности ПЭП и перемещая ПЭП один относительно другого, добиваются полу­чения максимального значения сигнала на экране приемника. С помощью осциллографа измеряют интервал времени между им­пульсом возбуждения и принятым сигналом. Повторяют указан­ные операции, используя первый и третий, а также второй и тре­тий ПЭП. Время распространения звука в призме определяют по формуле

Ті 2 (Тік“ЬТіт Tkrn) I

(16)

где ті — время распространения звука в призме t-ro преобра­зователя, мкс; тік — измеренный в микросекундах интервал време­ни при использовании в качестве излучателя 1-го и приемника k-ro ПЭП; т, і, k равны 1, 2, 3.

наклонные раздельно-совмещенные ПЭП имеют одинаковые номинальные геометрические размеры призм;

наклонные ПЭП имеют номинальные значения т_Пр>2т_н, где Тн — время распространения звуковых волн в акустической наг­рузке, соответсвующей черт. 3;

импульс возбуждения не маскирует эхо-импульс от свободной грани призмы прямых совмещенных ПЭП — измерения Тпр следу­ет проводить следующим образом. Подключают измеряемый ПЭП к УПНК и устанавливают его на акустическую нагрузку или стан­дартный образец, как указано в п. 2.1.2. Схема расположения нак­лонных ПЭП для возбуждения объемных волн должна соответст­вовать черт. 22. Акустической нагрузкой для прямых ПЭП с приз­мой (акустической задержкой) и наклонных раздельно-совмещен­ных ПЭП служит воздух. Притирают ПЭП к нагрузке и добивают­ся получения максимальной амплитуды эхо-сигнала, как указа­но в п. 2.1.2.

От генератора От генератора От генератора

К приемнику ^аО

/—первый ПЭП; 2—второй ПЭП; .3—призма первого ПЭП; 4-приз- ма второго ПЭП

Черт. 21

* УПНК ПЭП

Акустическая нагрузка

Измеряют по экрану осциллографа для раздельно-совмещен­ных и прямых ПЭП с призмой временной интервал в микросекун­дах между импульсами возбуждения и первым эхо-импульсом от рабочей поверхности призмы; для наклонных ПЭП — между им­пульсом возбуждения и первым и вторым эхо-импульсами. Полу­ченное значение интервала для раздельно-совмещенных и прямых ПЭП с призмой является удвоенным временем распространения звука в призме т_пр. Время распространения звука в призме т_пр, мкс, для наклонных ПЭП определяют по формуле

тпр= (Зті— т₂), (17)

где Т1 (т₂) — временной интервал между импульсом возбужде­ния и первым (вторым) эхо-импульсом от отражателя, мкс.

Измерения следует проводить на установке, схема которой при­ведена на черт. 23.

Иммерсионная ванна, содержащая узлы фиксации ПЭП и от­ражателей совместно с механизмом перемещения должна обеспе­чить перемещение отражателя (или ПЭП) по координатам Xi, Х₃ в диапазонах от минус 30 до плюс 30° и от 0 до 250 мьГ соответ­ственно, а также поворот ПЭП вокруг оси Х₃ на 360°. Погреш­ность определения местоположения отражателя относительно ПЭП по Xi не должна быть более 12'; по Х₃ — 0,5 мм; поворота ПЭП — 30'.

Плоский отражатель должен иметь размер рабочей поверхнос­ти (диаметр или меньшую сторону прямоугольника) не менее 100 мм, толщину — не менее 20 мм, параметр шероховатости 7?й< <0,63 мкм, допуск плоскостности 0,01 мм. Сферические отражате­ли должны быть изготовлены из нержавеющей стали по ГОСТ 7350 и иметь диаметры 2, 5, 10 мм. Расстояние от центра сфери­ческой поверхности отражателя до узла фиксации должно быть не менее 60 мм.

Приемник должен иметь чувствительность не менее 1 мВ и обеспечивать усиление эхо-сигнала на частоте /ии(э> измеряемого ПЭП, временное селектирование эхо-импульса от сферического от­ражателя, преобразование его в сигнал с амплитудой не менее 1 В для подачи на графопостроитель. Приемник должен иметь регулировку усиления от 0 до 80 дБ и дискретное ослабление сиг­нала на (6±0,1) дБ.

Генератор радиоимпульсов должен обеспечить возбуждение ПЭП на частоте /ии(э>, МГц, радиоимпульсами длительностью (2— —15)/fuu(s) мкс, с частотой следования в диапазоне 400—2000 Гц

/—иммерсионная ванна; 2—узел фиксации отражателя; 3—плоский отражатель; 4— сферический отражатель; 5—узел фиксации ПЭП; 6—проверяемый ПЭП; 7—механизм перемещения по координатам Х₃; 8— графопостроитель; 9—приемник; 10—гене­ратор; 11—осциллограф

Черт. 23

и амплитудой напряжения возбуждения ПЭП не менее 5/Juo) и не более 600/ии_(Э) В.

Осциллограф и графопостроитель должны иметь параметры согласно пп. 2.1.1, 2.3.1.

Установка должна обеспечить запись углового положения от­ражателя по координате с погрешностью масштаба не более 1,5%. Метод проверки масштаба записи приведен в приложении 4.

Устанавливают в узел фиксации сферический отражатель, удов­летворяющий условиям:

d=2 мм при />10,0 МГц;

d = 5 мм при 10,0>/> 1,0 МГц;

d=10 мм при /<1,0 МГц,

где / — номинальная частота максимума преобразования /ии или эффективная частота /_э проверяемого ПЭП, МГц.

Устанавливают расстояние от ПЭП до сферического отражате­ля не менее L= (0,6+32/йа) - Гб при измерении диаграммы направ­ленности до уровня минус 6 дБ и не менее L = (1,3 + 23/йа) -Л_б при измерениях диаграммы направленности до уровня минус 20 дБ.

Здесь k = 2nf/v, Lt, = a²flv, а — радиус (или половина размера пье­зоэлемента) проверяемого ПЭГІ в рабочей плоскости, мм; v — ско­рость звука в воде, мм/мкс.

Если средства измерения не позволяют реализовать условие £> (0,6+32/Ы)£б следует применить плоский отражатель, уста­новив его на расстоянии Е'<0,5£б. Допуск перпендикулярности рабочей поверхности плоского отражателя к оси Х₃ должен быть 0,02 мм на базе 100 мм.

Закрепляют ПЭП в узел фиксации, подключают к установке, как показано на черт. 23, и ориентируют его относительно плос­кости измерения, как указано в технических условиях на ПЭП кон­кретного типа.

Устанавливают частоту генератора радиоимпульсов, равную частоте fuuo) проверяемого ПЭП. Перемещая отражатель в обла­сти Хі«0°, добиваются максимального значения эхо-сигнала на экране осциллографа. Регулировками генератора, приемника, гра­фопостроителя устанавливают амплитуды сигнала и масштабы изображения и записи, обеспечивающие наибольшую точность из­мерений.

Включают перемещение отражателя по координате Xi и запи­сывают график диаграммы направленности на графопостроителе. На полученный график наносят линию, соответствующую уровню 6 дБ.

Поворачивают ПЭП вокруг оси Х₃ на угол 180° и повторяют запись диаграммы направленности. Ось симметрии записанных графиков является геометрической осью преобразователя.

Если измерения проводились с плоским отражателем, то для перевода полученного графика в диаграмму направленности Рцг» необходимо масштаб записи увеличить в два раза, а значения ординат по оси У графопостроителя возвести в квадрат.

Если в стандартах или технических условиях на ПЭП конкрет­ного типа не указаны пределы перемещения отражателя, измере­ние диаграммы направленности следует проводить до уровня не менее минус 20 дБ.

Ширину диаграммы направленности 0i₍₂) и угол ввода а (а') вычисляют по формулам:

0i(2) = /n/© ; a = ml_a; a' = ml_a, (18)

где m — масштаб записи,... °/мм; /₀ — ширина графика диаг­раммы направленности на уровне минус 6 дБ, мм; І_а(ї_а ) —рас­стояние от максимума диаграммы направленности до геометричес­кой оси преобразователя, мм. Отклонением угла ввода а (а') от его номинального значения является разность между значением» полученным по формуле 18, и номинальным значением.

Определяют по графику диаграммы направленности область ее основного лепестка. Для этого измеряют слева (справа) от точки Л(2), соответствующей значению диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, разность между минимумами диаграммы нап­равленности и следующими за ними влево (вправо) максимумами. Ближайшую точке 6(2) точку минимума, в которой эта разность превышает 3 дБ, принимают за левую (правую) границу основ­ного лепестка.

Уровнем боковых лепестков Nq является разность в децибе­лах между максимальными значениями диаграммы направленнос­ти в области основного лепестка и вне его соответственно. Если на границе диаграммы направленности указанных минимумов нет, следует считать, что боковые лепестки отсутствуют.