Все преобразователи имеют следующие основные элементы (рис. 24): корпус, пьезоэлемент 4У электроды, подводящие переменный ток к пьезоэлементу, демпфер 3, контактное устройство 2 и защитное донышко 5. Прямой преобразователь с плоской контактной поверхностью (именно такой показан на рис. 24) рассчитан на возбуждение в контролируемом изделии продольных волн и предназначен для обнаружения дефектов, расположенных в толще материала. В конструкции предусмотрено демпфирование свободных колебаний пьезоэлемента путем приклеивания его к демпферу 3 — массивному телу, имеющему форму цилиндра и выполненному из материала с высоким коэффициентом затухания ультразвуковых колебаний. Нижняя поверхность пьезоэлемента защищена донышком из пластмассы или металла. Защитное донышко улучшает эксплуатационные характеристики преобразователя, повышает его износостойкость. Толщина донышка должна быть небольшой, так как при ее увеличении в донышке могут возникать многократные отражения ультразвуковых волн, приводящие к удлинению начального импульса и снижению разрешающей способности преобразователя.
Существует много видов ультразвуковых преобразователей. Их конструируют для контроля различных поверхностей деталей машин. Многие ответственные места деталей труднодоступны, и преобразователи для их контроля часто имеют весьма замысловатую форму. Распространены ультразвуковые преобразователи для контроля наклонных поверхностей, труб (цилиндрических, эллипсных), сферических и др. Применяют преобразователи для ввода в объект контроля ультразвуковых колебаний под некоторым углом, отличным от прямого. Их применяют для возбуждения в объекте поперечных, нормальных или поверхностных волн. Успешное использование ультразвуковых методов неразрушающего контроля в большой степени зависит от надежного акустического контакта между преобразователем и поверхностью контролируемой детали. Обычно акустический контакт обеспечивается введением в пространство между преобразовательной головкой и объектом контроля минерального масла, глицерина, воды, спирта и т. п.
Во многих случаях вместо нанесения на поверхность изделия (или контактную поверхность преобразователя) смазочного материала контролируемое изделие и преобразователь погружают в жидкую среду (в ванну). Такой способ ультразвукового контроля называется иммерсионным. Иммерсионный ультразвуковой контроль получил наибольшее распространение в заводских условиях и успешно применяется для контроля изделий с грубой поверхностью. Контроль ведется через слой жидкости. При этом допустим значительный зазор между преобразователем и деталью. Иммерсионные преобразователи мало отличаются по конструкции от прямых. Из-за отсутствия контакта между преобразователем и поверхностью контролируемой детали отпала необходимость в износостойком металлическом донышке. Для гидроизоляции (обеспечения водонепроницаемости) пьезоэлемент защищен тонкой пленкой лака. В иммерсионных преобразователях часто используется фокусировка ультразвука, осуществляемая собирающей линзой, изготовленной из органического стекла.
При ультразвуковом неразрушающем контроле используют несколько методов контроля и получения информации: прошедшего излучения, отраженного излучения (эхо метод), резонансный метод и др. Тот или иной метод применяют в зависимости от особенностей контролируемых изделий (материал, размеры, форма, шероховатость поверхности), вида выявленных дефектов (размер, местоположение, ориентация) и т. д.
Метод прошедшего излучения. Его называют еще теневым методом. Он заключается в регистрации ультразвуковых волн, прошедших сквозь контролируемый объект. При этом методе контроля с одной стороны контролируемого объекта вводятся ультразвуковые колебания, а с другой, строго напротив места ввода, регистрируется интенсивность ультразвука, прошедшего через контролируемый объект. Схема метода прошедшего излучения приведена на рис. 25. Здесь излучающий пьезоэлемент посылает пучок ультразвуковых волн сквозь контролируемый объект 2, а индикатор 3 интенсивности прошедших сквозь объект ультразвуковых колебаний регистрирует колебания, улавливаемые приемным пьезоэлементом. Интенсивность ультразвуковых колебаний, зафиксированная приемником с противоположной стороны, будет меньше введенной в контролируемый объект. Интенсивность ультразвуковых колебаний при их прохождении через объект будет уменьшаться из-за расхождения пучка, затухания и отражения. При постоянной толщине объекта контроля интенсивность прошедших колебаний постоянна.
Если на пути ультразвуковых волн окажется дефект, например, типа нарушения сплошности, то часть ультразвуковой энергии отразится от него и интенсивность прошедших сквозь объект колебаний резко уменьшится. На приемный пьезоэлемент как бы упадет «тень» от дефекта, поэтому метод прошедшего излучения и называют часто теневым. Ослабление интенсивности ультразвуковых колебаний будет зависеть от площади дефекта (перпендикулярной к ультразвуковому пучку), площади самого пучка ультразвуковых лучей и расположения дефекта между наружными поверхностями контролируемого объекта.
Если площадь дефекта больше площади пучка ультразвуковых лучей (на рис. 25 справа), то интенсивность прошедших колебаний равна нулю. Чем меньше площадь дефекта, перпендикулярная к направлению распространения ультразвуковых колебаний, тем меньше они ослабляются. При контроле методом прошедшего излучения необходим двусторонний доступ к объекту контроля. Этот метод применяют для обнаружения раковин, трещин, расслоений, зон крупнозернистости, нарушения сцепления в многослойных материалах и конструкциях. Чувствительность этого метода не высока. Дефект можно выявить, если он вызывает изменение интенсивности прошедших сквозь объект ультразвуковых волн на 15—20%. При наличии дефектов малых размеров изменение интенсивности незначительно и дефекты не выявляются. Чувствительность метода зависит от расстояния между дефектом и поверхностью объекта, со стороны которой измеряется интенсивность прошедших колебаний и, конечно, от коэффициента затухания. Недостатком метода является то, что как правило, трудно определить глубину залегания дефекта. Ультразвуковой контроль методом прошедшего излучения нашел применение при контроле тонких деталей (например, стальных листов), автомобильных покрышек и др. Акустический контакт при этом методе контроля осуществляется через тонкий слой жидкости или иммерсионным способом. В методе прошедшего излучения используются продольные волны. Метод отраженного излучения, часто называемый эхо методом, в отличие от метода прошедшего излучения основан на отражении ультразвуковых волн от границы изделия или поверхности дефекта. На рисунке приведены схемы контроля методом отраженного излучения. В схеме контроля двумя призматическими преобразователями один из них непрерывно излучает ультразвуковые колебания под определенным углом к поверхности контролируемого объекта, второй — подвижный регистрирует «ультразвуковое эхо», т. е. колебания, отраженные от границы проверяемой детали или дефекта (штриховая линия). Аналогично проводится контроль совмещенным прямым преобразователем. Здесь излучающая и регистрирующая головки преобразователей ультразвуковых колебаний объединены в один блок, который сканирует поверхность объекта контроля.
