Акустические методы
УДК 620.179.16:534.8
ЗЕРКАЛЬНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ В
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ (АЗИМУТАЛЬНОЙ) ПЛОСКОСТИ НАКЛОННЫХ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
© 2019 г. Н.Н. Коновалов1,*, Р.Х. Рафиков2,**, М.Н. Преображенский3,***
1АО НТЦ «Промышленная безопасность», Россия 109147 Москва, Таганская, 34А
2Северная дирекция тяги — структурное подразделение дирекции тяги, филиал ОАО «Российские
железные дороги», Россия 150003 Ярославль, ул. Республиканская, 3/7
3Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова, Россия 150003 Ярославль, Советская, 14/2
E-mail: *knn5@mail.ru; **rafis-89@mail.ru; ***mnpnrr@mail.ru
Поступила в редакцию 25.09.2018; после доработки 14.03.2019;
принята к публикации 22.03.2019
Предложен новый зеркальный способ измерения диаграмм направленности наклонных пьезопреобразователей
в дополнительной (азимутальной) плоскости.
Проведены измерения диаграмм направленности в дополнительной плоскости для преобразователей с углами ввода
от 34 до 70° зеркальным способом на стальном образце с плоскопараллельными поверхностями. Установлено, что для
преобразователей с углами призмы, близкими к первому критическому (угол ввода 34°), наблюдается расширение угла
раскрытия диаграммы направленности в дополнительной плоскости, что может быть объяснено участием в ее формиро-
вании преломленной продольной (головной) волны. Показано, что измерения диаграммы направленности в дополни-
тельной плоскости пьезоэлектрических преобразователей эффективно можно проводить в диапазоне азимутальных
углов ±15° от направления акустической оси.
Ключевые слова: пьезоэлектрический преобразователь, диаграмма направленности, зеркальный способ, дополни-
тельная (азимутальная) плоскость.
DOI: 10.1134/S0130308219050014
ВВЕДЕНИЕ
Пьезопреобразователи (ПЭП) являются неотъемлемой частью системы ультразвукового кон-
троля и в значительной степени определяют его эффективность. Характеристики и возможности
аппаратуры ультразвукового контроля во многом определяются параметрами преобразователей.
Как показано в [1, 2] параметры контроля — чувствительность, шаг сканирования, погрешность
измерения координат и условных размеров обнаруженных дефектов — зависят от характеристик
диаграммы направленности (ДН) ПЭП. Их необходимо знать не только при разработке новых
технологий контроля, но и для решения таких практических задач, как определение расстояния
между искусственными отражателями при проектировании настроечных образцов. Количество
применяемых при ультразвуковом контроле ПЭП велико, поэтому целесообразно создание авто-
матизированных систем, позволяющих с минимальным субъективным участием исполнителя и
низкой стоимостью оперативно измерять их диаграммы направленности.
Теоретическому и экспериментальному исследованию влияния различных факторов на измене-
ние характеристик направленности ПЭП посвящено значительное число работ [1—7], выполненных
в период интенсивного развития методов ультразвуковой дефектоскопии. Интерес к методам изме-
рения этих параметров проявляется и в настоящее время [8—11]. ДН ПЭП, согласно [12], —
это графическое представление характеристики направленности акустического поля в дальней
зоне в декартовых или полярных координатах. Различают ДН ПЭП в основной и дополнительной
плоскостях [4, 13—15]. Основная плоскость — это плоскость, проходящая через акустическую ось
преобразователя перпендикулярно поверхности контролируемого изделия, дополнительная —
плоскость, которая проходит через акустическую ось перпендикулярно основной. Нормативно-
технической документацией не предусмотрена проверка параметров акустического поля в допол-
нительной плоскости. Возможно, это связано с тем, что для преобразователей с круглой пьезопла-
стиной диаграмма направленности в дополнительной плоскости не зависит от угла призмы [4, 13],
кроме того, ее измерение представляет определенные технические сложности.
Измерение ДН в дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода от 34 до 58° при отражении от
угла, образованного ненаправленным отражателем в виде вертикального цилиндрического отверстия
и донной поверхностью плоскопараллельного образца, проведено в [16, 17]. При этом, как отмеча-
лось в [13, 16—19], сложности возникают при измерениях для ПЭП с углами ввода больше 57°, что
связано с резким уменьшением коэффициента отражения от угла между вертикальным отверстием и
4
Н.Н. Коновалов, Р.Х. Рафиков, М.Н. Преображенский
1
0,8
58/58
0,6
42/42
42/42
0,4
0,2
0
-10
-5
0
5
10
γ, º
Рис. 1. ДН в дополнительной плоскости ПЭП с различной формой
пьезопластин [14]:
U — амплитуда эхосигнала; γ — угол, отсчитываемый от акустической оси преобразователя-приемника в плоскости, перпендикулярной
к плоскости падения луча, град.
донной поверхностью образца. Так, в [16, 17] для ПЭП с углом ввода 58° измерения удалось прове-
сти в диапазоне азимутальных углов γ = ±4° от направления акустической оси (рис. 1).
Целью настоящей работы является разработка способа, позволяющего проводить измерения
ДН в дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода больше 57° в диапазоне азимутальных углов
γ = ±15°. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:
измерить ДН в дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода 42, 50 и 58° предложенным
способом. Рассчитать угловую зависимость поля Ф(γ) в дополнительной плоскости излучения.
Сравнить полученные результаты;
измерить ДН в дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода от 34, 50, 58, 60, 65 и 70° пред-
ложенным и апробирующими способами. Экспериментально оценить возможность применения
зеркального способа для ПЭП с углами ввода больше 57°. Оценить отличие полученных результа-
тов от «точных» ДН.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
Для измерения ДН в дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода больше 57° используют
образцы с тороидальным пазом [13, 14] (рис. 2). Изготовление таких образцов представляет техно-
логические сложности, поэтому в данной работе предложен новый зеркальный способ измерения
ДН на излучение (излучателя) в дополнительной плоскости ПЭП при использовании стальной
плиты с двумя плоскопараллельными поверхностями (рис. 3).
В данной работе использовали преобразователи с углами ввода от 34 до 70° в качестве излу-
чателей и преобразователь П131-2,5-0-90 с переменным углом ввода (рис. 4) в качестве прием-
ника, который настраивался на соответствующий угол ввода излучателя. Смещение приемника
осуществлялось так, чтобы точка выхода луча, находящаяся на его контактной поверхности,
перемещалась по окружности радиусом R (см. рис. 3), а проекция акустической оси была
направлена к точке выхода излучателя. Радиус рас-
считывался как
R = 2в = 2dtgα0,
(1)
где в — расстояние от проекции точки выхода луча на
донную поверхность до точки падения луча на дон-
ную поверхность образца, мм; α0 — угол ввода преоб-
разователя-излучателя, град; d — толщина стальной
плиты, мм.
Рис. 2. Образцы с тороидальным пазом для измерения ДН в
дополнительной плоскости ПЭП с углами ввода больше 57°.
Дефектоскопия
№ 5
2019
Зеркальный способ измерения диаграмм направленности...
5
П
П'
И
R
y
γ
М
Z
Y X
И
П' П
Z
α0
α0
X
М
в
в
Рис. 3. Зеркальный способ измерения ДН в дополнительной плоскости наклонных ПЭП:
И — преобразователь-излучатель; П — преобразователь-приемник (П — начальное, П' — конечное положения); R — радиус
перемещения точки выхода луча преобразователя-приемника, мм; y — координата точки выхода луча преобразователя-приемника;
γ — угол, отсчитываемый от акустической оси преобразователя-приемника в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения луча,
град; в — расстояние от проекции точки выхода луча на донную поверхность до точки падения луча на донную поверхность образца, мм;
М — точка падения луча на донную поверхность образца.
Следует отметить, что путь ультразвукового луча R должен быть не менее двух ближних зон
испытуемого преобразователя, то есть толщина плиты d не может быть малой.
Длина ближней зоны преобразователя определяется по формуле
2
2
L =a
/λ=a
f
/C,
(2)
б
где a — размер пьезоэлемента, мм; f — частота, МГц; с — скорость ультразвуковой волны в метал-
ле, м/с (составляет 27 мм для примененных ПЭП (а = 6 мм (6 ×10-3 м), f = 2,5 МГц, С = 3260 м/с)).
При толщине стальной плиты d = 30 мм путь ультразвукового луча R = 2d/cosα (для α = 34°,
R = 72 мм; для α = 70°, R = 175 мм), то есть условие выполняется.
Измерения проводили специальным автоматизированным устройством при использовании
модулей обработки сигналов на базе современных микропроцессоров [17], которое было подклю-
чено к стенду измерения ДН ПЭП (см. рис. 4) при механизированном перемещении приемника с
шагом один градус, обеспечивая надежный акустический контакт и повторяемость результатов в
процессе каждого измерения.
10
8
9
5
9
4
7
6
2
1
3
Рис. 4. Установка для измерения ДН ПЭП в дополнительной плоскости:
1 — излучатель; 2 — стальная плита с двумя плоскопараллельными поверхностями; 3 — приемник; 4 — нижняя, верхняя направляющие
с делениями, соответствующими углам ввода ПЭП; 5 — каретки фиксаторов ПЭП; 6 — фиксаторы ПЭП; 7 — лимб, соединенный с
передачей «винт/гайка», регулирующей перемещение приемника; 8 — рейка перемещения фиксатора излучателя; 9 — двухкоординатный
сканер; 10 — устройство обработки.
Дефектоскопия
№ 5
2019
6
Н.Н. Коновалов, Р.Х. Рафиков, М.Н. Преображенский
Основные технические характеристики установки измерения ДН в дополнительной плоскости
наклонных ПЭП приведены в табл. 1.
Таблица
1
Основные технические характеристики
Количество каналов (генератор/приемник)
1
Диапазон синтезируемых частот генератора
1—10 МГц
Дискретность синтезатора
25 нс
Количество импульсов заполнения
2048 (любой полярности)
Напряжение питания синтезатора
50, 100, 150, 200 В
Частота следования зондирующих импульсов
50—150 Гц
Зона контроля
1000 мкс
Задержка зоны контроля
51—400 мкс
Динамический диапазон приемника
50 мкВ—50 В
Диапазон регулировки ВРЧ
80 дБ
Точность измерения временных интервалов
не менее 25 нс
Количество независимых стробов
2
Габаритные размеры
135×123×68 мм
Напряжение питания
12 В
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Излучатель 1 неподвижно расположен на контактной поверхности стальной плиты 2 с двумя
плоскопараллельными поверхностями. Преобразователь-приемник 3 выставляют с помощью
«лимба» 7 на контактной поверхности стальной плиты 2 в положение, при котором амплитуда
сигнала максимальна. При смещении приемника 3 вправо, а затем влево определяются значения
углов αmin и αmax, при которых еще возможно измерение амплитуд сигналов (рис. 5). Затем, пере-
мещая приемник 3 по поверхности стальной плиты (2) в пределах значений αmin — αmax по окруж-
ности, измеряют координату y точки выхода луча приемника при перемещении ее по окружности
радиусом R. Результаты измерений N(у), дБ записываются в память. Таким образом, данным спо-
собом получается зависимость усиления сигнала при изменении положения приемника относи-
тельно начального. Далее устройство обработки производит расчеты по следующему алгоритму:
для каждой координаты y вычисляет текущий угол γ = arcsin (y/R), где γ — угол, отсчитываемый
от акустической оси преобразователя в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения луча,
град, записывает в память значения N1(γ), дБ; рассчитывает значения N2(γ) = N1 - N1 макс; выводит
диаграмму Ф(γ) = 10(N2/20) на экран индикаторного устройства или на внешнее устройство с помо-
щью VGA/USB-портов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 5 показаны результаты измерения ДН для ПЭП с углами ввода 42, 50 и 58° и расчета
угловой зависимости поля Ф(γ) в дополнительной плоскости излучения по формуле, приведенной
в [4]
Φ γ)
=Φ γ)
D
× γ)×Φ
(γ),
(3)
0
lt
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2I
k
a m
sin
γ+sin
β γcosβ-
1−
m
sin
γ-cos
γsin
β
1
lt
(
)
где
Φ γ)
=
,
0
2
2
2
2
2
2
2
2
k
a m
sin
γ+sin
β γcosβ-
1−
m
sin
γ-cos
γsin
β
lt
(
)
Дефектоскопия
№ 5
2019
Зеркальный способ измерения диаграмм направленности...
7
I1 — функция Бесселя первого порядка; m = cl1/ct2 — показатель преломления по поперечной
волне; β — угол падения плоской волны на границу раздела; γ — угол, отсчитываемый от акусти-
ческой оси преобразователя в плоскости, перпендикулярной к плоскости падения луча, град; а —
радиус пьезопластины преобразователя; k — волновое число;
2
2
sin
β
sin
βcosγ
1
Φ γ)
=
1−
cosγcosβ+
,
Dlt — коэффициент прозрачности.
2
2
2
2
2
m
1−m
sin
γ-cos
γsin
β
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-35
-25
-15
-5
5
15
25
γ, º
42°
50°
58°
Расчет
Рис. 5. Сравнение ДН ПЭП с углами ввода 42, 50 и 58°, а также расчетная диаграмма для угла ввода 58°:
U — амплитуда эхосигнала; γ — угол, отсчитываемый от акустической оси преобразователя в плоскости, перпендикулярной к плоско-
сти падения луча, град.
Результаты хорошо согласуются с ДН ПЭП, которые получены по предложенному способу и
расчетным путем. Для разработанного способа измерений характерно отсутствие статистически
значимой случайной составляющей в результатах измерений.
Оценка отличия полученных результатов от «точных» ДН осуществлялась следующими апро-
бирующими способами.
Первый способ заключается в сканировании «точечным», то есть малым в волновом смысле
вспомогательным УЗ-приемником (электромагнитоакустическим преобразователем), по дуге, лежа-
щей в плоскости цилиндрического образца со скошенными основаниями под углами ввода преоб-
разователей (рис. 6), содержащей акустическую ось испытуемого преобразователя. Второй заключа-
ется в сканировании по двум координатам с регистрацией эхосигналов в совмещенном режиме от
дна калибровочного полусферического стального образца UCB111 радиусом 100 мм, а затем с опре-
делением по ним пространственного спектра голограмм с последующим расчетом ДН ПЭП.
Образец UCB111
UR-5
Рис. 7. Роботизированный комплекс для паспортизации
Рис. 6. Схема измерения ДН на цилиндрическом образце
преобразователей UR-5 ООО «АКС» и калибровочный
со скошенными под углами α основаниями.
полусферический образец.
Дефектоскопия
№ 5
2019
8
Н.Н. Коновалов, Р.Х. Рафиков, М.Н. Преображенский
Измерения проведены роботизированным комплексом для паспортизации преобразователей
(РКПП) UR-5 ООО «Акустические контрольные системы» (рис. 7), с точностью шага сканирова-
ния ±0,1 мм [19].
На рис. 8 представлены результаты измерений ДН в дополнительной плоскости для ПЭП с
углами ввода 34, 50, 58, 60, 65 и 70°, полученные предложенным и апробирующими способами,
описанными выше.
1
0,8
6
3
0,6
5
7
0,4
9
0,2
2
4
8
1
0
-15
-10
-5
0
5
10
15
γ, º
Рис. 8. Диаграммы направленности в дополнительной плоскости преобразователей с углами ввода 34° (кривые 1**, 2*),
50° (кривая 3***), 58° (кривые 4**, 5*), 60° (кривая 6***), 65° (кривая 7***) и 70° (кривые 8*, 9***).
Сведения по измерениям ДН в дополнительной плоскости ПЭП приведены в табл. 2.
Таблица
2
Сведения по измерениям ДН в дополнительной плоскости зеркальным и апробирующими способами
№ ДН
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Угол ввода α, град
34
50
58
60
65
70
цилиндрический образец
*
х
х
х
зеркальный способ
**
х
х
роботизированный комплекс
для паспортизации
х
х
х
х
ПЭП UR-5
***
На рис. 9 видно, что угол раскрытия ДН на уровне 0,707 уменьшается с увеличением угла ввода
преобразователя. Как следует из графика для преобразователей в диапазоне углов ввода 34—42°
(что соответсвует углам призмы, близким к первому критическому), угол раскрытия ДН на уровне
16
1
12
2
1
8
2
3
3
4
0
α0,°
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Рис. 9. Зависимость угла раскрытия ДН на уровне 0,707 от угла ввода:
1 — зеркальный способ; 2 — с применением цилиндрического образца со скошенными основаниями под углами ввода преобразователей;
3 — с применением роботизированного комплекса для паспортизации преобразователей UR-5; Δγ0,707 — угол раскрытия диаграммы
направленности на уровне 0,707, град; α0 — угол ввода преобразователя, град.
Дефектоскопия
№ 5
2019
Зеркальный способ измерения диаграмм направленности...
9
0,707 ∆γ0,707 уменьшается с примерно 14° для ПЭП с углом ввода 34° до примерно 7° для ПЭП с
углом ввода 70°. Это может быть связано с участием в формировании ДН в дополнительной пло-
скости преобразователей с углами призмы в районе первого критического преломленной продоль-
ной головной волны (ГВ), наличие которой у всех преобразователей подтверждается наблюдением
отраженной продольной волны от вогнутой цилиндрической поверхности стандартного образца
СО-3Р при увеличении усиления.
Отличие измеренных ДН ПЭП зеркальным способом от апробирующих составляет 1-2 ° (или
15 %). Диапазон изменения угла γ в [15] составлял примерно ±4°, в то время как при использова-
нии зеркального способа измерения ДН ПЭП можно эффективно проводить в диапазоне азиму-
тальных углов ±15° от направления акустической оси.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, экспериментальные оценки ДН в дополнительной плоскости для преобразова-
телей с различными углами ввода от 34 до 70° показали возможность применения зеркального
способа измерения ДН в дополнительной плоскости.
Проведена оценка отличия полученных результатов от «точных» ДН апробирующими способами
их измерения. Степень отличия полученных зависимостей связана с тем, что плоскость сканирования
вспомогательного приемника отклонена от дополнительной плоскости и составляет примерно 1-2°
(или 15 %) от «точных» ДН. Это следует учитывать при измерениях ДН предложенным способом.
Угол раскрытия ДН на уровне 0,707 уменьшается с примерно 14° для ПЭП с углом ввода 34°
до примерно 7° для ПЭП с углом ввода 70°.
Показано, что измерения ДН ПЭП можно эффективно проводить в диапазоне азимутальных
углов ±15° от направления акустической оси.
Авторы статьи выражают благодарность заместителю директора ООО «Акустические кон-
трольные системы», д.т.н., профессору Виктору Гавриловичу Шевалдыкину за ценные советы при
подготовке статьи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гурвич А.К., Кузьмина Л.И. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых
дефектоскопов. Киев: Техника, 1980. 103 с.
2. Гурвич А.К., Кусакин Н.А. О допустимом разбросе числовых характеристик диаграммы направ-
ленности наклонных преобразователей // Дефектоскопия. 1984. № 11. С. 60—66.
3. Гурвич А.К. Влияние поглощения на диаграмму направленности наклонных искателей //
Дефектоскопия. 1967. № 1. С. 23—28.
4. Дианов Д.Б. Исследование направленности призматических преобразователей // Дефектоскопия.
1965. № 2. С. 8—22.
5. Гурвич А.К. Диаграммы направленности наклонных искателей // Дефектоскопия. 1966. № 2. С. 3—9.
6. Перевалов С.П. Диаграммы направленности искателей с околокритическими углами //
Дефектоскопия. 1981. № 2. С. 96—101.
7. Воронков В.А., Ермолов И.Н. Диаграммы направленности наклонных преобразователей //
Дефектоскопия. 1990. № 5. С. 80—82.
8. Бобров С.В. Диаграммы направленности прямых ЭМАП для возбуждения сдвиговых волн с гори-
зонтальной поляризацией // Контроль. Диагностика. 2012. № 8. С. 21—26.
9. Воронков И.В. Теоретическое и экспериментальное исследование диаграммы направленности
линейного наклонного преобразователя с фазированной решеткой // Тезисы докл. XX Всерос. научно-
техн. конф. по неразрушающему контролю и технической диагностике (Москва, 3—6 марта 2014 г.).
М.: Изд. дом «Спектр», 2014. С.117—118.
10. Базулин А.Е., Базулин Е.Г. Об измерении угла ввода пьезоэлектрического преобразователя на
стандартном образце СО-3 // Дефектоскопия. 2010. № 2. С. 57—62.
11. Базулин А.Е. Разработка алгоритмов и оборудования для измерения параметров ультразвуковых
пьезоэлектрических преобразователей: Автореф. дис. …канд. физ.-мат. наук. М., 2010.
12. Ланге Ю.В., Воронков В.В. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения /
Справочник. М.: Авторское издание, 2003. 120 с.
13. Неразрушающий контроль / Справочник в 7 томах под ред. В.В. Клюева. Т. 3. И.Н. Ермолов,
Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
14. Щербинский В.Г. Технология ультразвукового контроля сварных соединений. Санкт-Петербург:
СВЕН, 2014. 495 с.
15. Гурвич А.К. Кузьмина Л.И. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых
дефектоскопов. К.: Texnika, 1980. 104 с.
Дефектоскопия
№ 5
2019
10
Н.Н. Коновалов, Р.Х. Рафиков, М.Н. Преображенский
16. Коновалов Н.Н., Рафиков Р.Х., Преображенский М.Н. Диаграммы направленности наклонных
пьезопреобразователей в дополнительной плоскости // Контроль. Диагностика. 2016. № 5. С. 26—30.
17. Коновалов Н.Н., Рафиков Р.Х., Преображенский М.Н., Богданов М.Г. Построение диаграмм
направленности наклонных пьезопреобразователей в дополнительной плоскости / Труды сессии РАН и
деловой программы форума «Территория NDT 2016». Сборник научных трудов. М.: Изд. дом «Спектр»,
2016. 308 с.
18. Коновалов Н.Н., Рафиков Р.Х., Преображенский М.Н., Шалопьев В.В. Построение диаграммы
направленности пьезоэлектрических преобразователей эхо-сигналов от ненаправленных отражателей.
Академия ГПС МЧС России // Технологии техносферной безопасности. 2015. Вып. 4 (62). 5 с. http://
agps-2006.narod.ru/ttb/2015-4/44-04-15.ttb.pdf
19. Новый автоматизированный робот по паспортизации преобразователей Компании ООО
«Акустические Контрольные Системы».
[Электронный ресурс]
https://www.youtube.com/
watch?v=fkDbzkD1L5s
Дефектоскопия
№ 5
2019