Zastosowanie ceramiki piezoelektrycznej Stosowanej do ultradźwiękowych badań nieniszczących

Historia rozwoju i charakterystyka ultradźwięków

Akustyka, jako gałąź fizyki, jest nauką badającą występowanie, propagację, odbiór i działanie fal dźwiękowych. Przed rokiem 1940 istniały wyłącznie monokrystaliczne materiały piezoelektryczne, co powodowało, że fala ultradźwiękowa nie była powszechnie stosowana. W latach 70. XX wieku opracowano przezroczystą ceramikę piezoelektryczną PLZT. Rozwój materiałów piezoelektrycznych znacznie przyczynił się do rozwoju pola ultradźwiękowego.

Całkowita częstotliwość fal dźwiękowych wynosi od 10-4 Hz do 1014 Hz. Ogólnie fale dźwiękowe o częstotliwości od 2 × 104 Hz do 2 × 109 Hz nazywane są falami ultradźwiękowymi. Ultradźwięki, jako część fal dźwiękowych,zgodnie z podstawowym prawem propagacji fal dźwiękowych, ale Piezoceramiczny kryształ dyskowy ma również kilka wyjątkowych cech: ① Kierunkowość fal ultradźwiękowych jest dobra: Fale ultradźwiękowe mają taką samą kierunkowość jak fale świetlne i mogą być przenoszone kierunkowo dzięki specjalnej konstrukcji. Skuteczne wykrywanie w obiekcie detekcji, im wyższa częstotliwość ultradźwiękowa, tym lepsza kierunkowość; ② jest to silna zdolność penetracji ultradźwiękowej dla większości mediów, ma silną zdolność penetracji; ③ wysoka energia ultradźwiękowa: częstotliwość robocza detekcji ultradźwiękowej jest znacznie wyższa niż częstotliwość fal dźwiękowych i ma wysoką energię; ④ Fale ultradźwiękowe mają krótkie długości fal i małe zjawiska dyfrakcyjne: ze względu na ich wysoką częstotliwość i krótką długość fali łatwo jest znaleźć odbicia spowodowane defektami obiektu, dlatego często wykorzystuje się je do wykrywania wad. To właśnie te cechy sprawiają, że ultradźwięki są szeroko stosowane w badaniach nieniszczących.

Podstawowe zasady badań ultradźwiękowych

Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w różnych ośrodkach. Po napotkaniu interfejsu fale ultradźwiękowe ulegną odbiciu, załamaniu i konwersji trybu falowego. Odbicia występują na heterogenicznych powierzchniach stykowych o różnych impedancjach akustycznych. Kiedy fale ultradźwiękowe padają prostopadle z ośrodka 1 do ośrodka 2, współczynnik odbicia na granicy faz R. Im większa różnica w impedancji akustycznej między dwoma ośrodkami, tym silniejsze odbicie fal ultradźwiękowych na granicy faz. Im większa różnica impedancji akustycznej pomiędzy wtrąceniami w Materiał Pzt, ceramika piezoelektryczna i podłoże, tym większa możliwość wykrycia.

Treść wykrywania

Ceramikę piezoelektryczną wykrywaną metodą ultradźwiękową można podzielić na detekcję porowatości i detekcję defektów powierzchni. Wykrywanie porowatości ceramiki piezoelektrycznej Wytrzymałość, moduł sprężystości i gęstość ceramiki piezoelektrycznej są bezpośrednio związane z porowatością. Porowatość niektórych elementów piezoelektrycznych decyduje o tym, czy można je zastosować. Istnieje również pewna zależność pomiędzy prędkością transmisji fal ultradźwiękowych a porowatością (lub gęstością) piezoceramiki, którą można uzyskać poprzez rzeczywisty pomiar, a następnie porowatość ceramiki piezoelektrycznej można obliczyć za pomocą równań.

Aparaty szparkowe są zredukowane do losowo zorientowanych elipsoid, które są równomiernie rozmieszczone w matrycy izotropowej. Złożony model mikromechaniczny służy do obliczenia prędkości dźwięku i porównania jej z wartościami pomiarowymi. Obliczana jest porowatość. Gdy znana jest teoretyczna gęstość materiałów piezoceramicznych, porowatość można obliczyć na podstawie gęstości nasypowej. Istnieje wiele metod pomiaru gęstości ciała. Powszechnie stosowana jest metoda Archimedesa. Wady wewnętrzne ceramiki piezoelektrycznej można wykryć także metodą defektoskopii zanurzeniowej w wodzie. W przypadku wykrycia defektów metodą wykrywania wad pionowych metodą zanurzeniowej fali podłużnej w wodzie, można bezpośrednio odczytać ścieżkę wiązki. Aby wykryć małe defekty, można zamiast tego zastosować sondę o niższej częstotliwości.

 Wykrywanie wad powierzchniowych

W przypadku ceramiki piezoelektrycznej defekty powierzchniowe o tym samym kształcie i rozmiarze częściej powodują uszkodzenia niż defekty wewnętrzne, dlatego szczególnie ważne jest wykrywanie defektów powierzchniowych. Wady powierzchniowe ceramiki piezoelektrycznej są zwykle wykrywane metodą zanurzeniowej fali powierzchniowej. Fala ultradźwiękowa (fala podłużna) pada ukośnie na powierzchnię przedmiotu zanurzanego w wodzie. Gdy kąt padania θc jest większy niż drugi kąt krytyczny θC, wszystkie załamane fale dźwiękowe rozchodzą się wzdłuż powierzchni przedmiotu obrabianego, tworząc równanie fali powierzchniowej: Cl 1 – podłużna w wodzie Prędkość dźwięku; Cr2 —— Prędkość powierzchniowa dźwięku zanurzenia wody w przedmiocie obrabianym.

Długość fali powierzchniowej jest krótsza niż długość fali ścinającej, a tłumienie jest również większe niż fala ścinająca. Jednocześnie rozprzestrzenia się tylko po powierzchni. Kiedy napotka ostre rogi lub krawędzie, pojawią się silne odbicia echa. Im większa krzywizna, tym silniejsze odbicie. Gdy zalana fala powierzchniowa rozchodzi się po powierzchni bloku testowego, energia może przedostać się do wody, dlatego już po kilku milimetrach wysokość odbitej fali zalanej fali powierzchniowej ulega znacznemu zmniejszeniu. Ze względu na małą amplitudę charakterystyczną dla odległości transmisji fali odbitej, piezoceramiczny przetwornik pierścieniowy powinien znajdować się jak najbliżej defektu. Oprócz powyższych metod do wykrywania nowoczesnych defektów powierzchni piezoceramicznej można zastosować metodę przetwornika elektrody grzebieniowej, metodę mikroskopu ultradźwiękowego i metodę laserowego mikroskopu skaningowego. Jak dotąd we współczesnych Chinach nie przeprowadzono wielu badań nad ultradźwiękowym wykrywaniem wad ceramicznych, zgromadzone dane są niewielkie i nie ma standardowych bloków testowych o dużym obiektywizmie. Kierunki badań wymagające wzmocnienia w przyszłości to rozwój i zastosowanie nowych metod wykrywania wad oraz rozwój sond o wysokiej wydajności. Oczywiście wraz z szybkim rozwojem technologii informatycznych, którego ucieleśnieniem jest technologia komputerowa, nowoczesna technologia ultradźwiękowych badań nieniszczących rozwija się również w kierunku cyfrowego przetwarzania sygnałów i obrazowania kontrolnego.