ГОСТ Р 55808-2013 ГОСТ Р 55808-2013 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний.

                  

     ГОСТ Р 55808-2013

 

      

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 КОНТРОЛЬ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ

 

 Преобразователи ультразвуковые

 

 Методы испытаний

 

 Nondestructive testing. Ultrasonic transducers. Test methods

ОКС 17.020

Дата введения 2015-07-01

 

      

     

 

 Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ")

 

2 ВНЕСЕН Управлением по метрологии Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, Техническим комитетом по стандартизации ТК 371 "Неразрушающий контроль"

 

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 ноября 2013 г. N 1692-ст

 

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

 

5 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Сентябрь 2016 г.

 

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

           

 

 

      1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи по ГОСТ Р 55725 (далее - ПЭП), имеющие рабочую область частот в диапазоне от 0,16 до 30,0 МГц и предназначенные для работы в составе ультразвуковых приборов неразрушающего контроля (далее - УПНК) при эхо- и теневых методах контроля.

 

Стандарт устанавливает обязательные требования к методам измерения основных параметров (далее - параметры) и испытаний ПЭП по 4.3, 4.8, 4.18 при проведении испытаний и поверки. Перечень основных параметров ПЭП приведен в ГОСТ Р 55725.

 

 

      2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

 

ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия

 

ГОСТ 15130-86 Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия

 

ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики

 

ГОСТ 4784-97 Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки

 

ГОСТ 17622-72 Стекло органическое техническое. Технические условия

ГОСТ 21488-97 Прутки прессованные из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия

 

ГОСТ Р 51232-98 Вода питьевая. Общие требования к организации и методам контроля качества

 

ГОСТ Р 55725-2013 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые пьезоэлектрические. Общие технические требования

 

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

 

 

      3 Общие требования

3.1 Нормальные климатические условия измерения должны быть следующие:

 

- температура окружающего воздуха - (20±5)°С;

 

- температура воды в иммерсионной ванне - (20±5)°С;

 

- атмосферное давление - (96±10) кПа;

 

- относительная влажность воздуха - (60±15)%.

 

3.2 Напряжение и частота переменного тока питания измерительной аппаратуры должны соответствовать требованиям НД на приборы конкретного типа.

 

Вибрации, внешние электрические и магнитные поля должны быть в пределах, установленных в НД на УПНК и измерительную аппаратуру.

 

3.3 Время прогрева приборов, используемых при проведении измерений, устанавливают в соответствии с эксплуатационной документацией на эти приборы.

 

3.4 При измерении параметров иммерсионных ПЭП не допускается наличие пузырьков воздуха на их поверхности и на поверхности отражателя.

 

3.5 Если совместная работа ПЭП с УПНК предусматривает использование согласующих устройств (трансформаторов, корректирующих цепей и т.п.), их схемы и условия подключения к ПЭП при проведении измерений должны быть указаны в технических условиях на ПЭП конкретных типов.

 

3.6 При измерении параметров передаточной функции импульсной характеристики и электрического сопротивления подключают ПЭП к измерительной установке с помощью кабеля, если его длина не менее 500 мм, в противном случае - соединительного кабеля, имеющего следующие параметры: емкость (60±3) пФ; волновое сопротивление (5±3) Ом; коэффициент затухания на частоте 10 МГц - не более 0,1 дБ/м.

 

3.7 Измерения параметров ПЭП, выполняемые совместно с УПНК, следует проводить с электронным блоком УПНК, аттестованным в установленном порядке. ПЭП подключают к электронному блоку УПНК согласно эксплуатационной документации на УПНК. Допускается вместо электронного блока УПНК использовать только его блок генератора импульсов возбуждения и (или) блок приемника.

 

3.8 При проведении измерений временную регулировку чувствительности и отсечку электронных блоков УПНК отключают во всех случаях, кроме специально указанных в НД ПЭП конкретного типа.

 

3.9 Требования к стандартным образцам или акустическим нагрузкам, используемым при измерении АРД-диаграммы, отношения сигнал/шум, функции шумов и функции влияния, а также требования к стандартным образцам, используемым при измерениях импульсного коэффициента преобразования
и мгновенных значений эхо-импульса
, должны быть указаны в технических условиях на ПЭП конкретного типа или УПНК, в состав которых входит ПЭП.
 

3.10 При указании значений параметров ПЭП в эксплуатационной документации должны быть приведены условные обозначения акустических нагрузок, отражателей и расстояния от ПЭП до отражателей согласно приложению А.

 

3.11 При выполнении измерений параметров контактных ПЭП перед их установкой на акустические нагрузки или стандартные образцы рабочие поверхности акустических нагрузок и стандартных образцов необходимо смазать контактной жидкостью, тип которой установлен в НД ПЭП конкретных типов.

 

3.12 Используемые средства измерений, приборы, акустические нагрузки и стандартные образцы должны быть аттестованы в установленном порядке. Перечень рекомендуемых средств измерений приведен в приложении Б.

 

 

      4 Методы измерений и испытаний

4.1 Метод измерения импульсного коэффициента преобразования
, мгновенных значений эхоимпульса
их отклонений от номинальных значений, временных интервалов эхоимпульса
длительности эхоимпульса
, эффективной частоты эхоимпульса
и ее отклонения от номинального значения
 

4.1.1 Аппаратура

 

Измерения параметров совмещенных ПЭП следует проводить на установке, схема которой приведена на рисунке 1.

 

 

1 - электронный блок УПНК; 2 - проверяемые ПЭП; 3 - акустическая нагрузка или стандартный образец; 4 - осциллограф

 

Рисунок 1 - Схема установки для измерения параметров совмещенных ПЭП

           

При измерении параметров раздельно-совмещенных ПЭП излучающий преобразователь подключают к генератору, а приемный - к приемнику.

 

Применяют осциллограф со следующими параметрами: полоса пропускания - 0,0-35,0 МГц; входное сопротивление - не менее 1,0 МОм; входная емкость - не более 30,0 пФ; диапазон амплитуд исследуемых сигналов - 0,03-300 В; погрешность измерения амплитуд и временных интервалов не более 5,0%.

 

Параметры акустических нагрузок контактных ПЭП приведены в таблице 1 и на рисунках 2, 3.

 

 

Рисунок 2

 

 

 

     

Рисунок 3

 

 

Таблица 1 - Параметры акустических нагрузок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диапазон частот, МГц

Материал

Высота
или радиус
, мм
 

Параметр шероховатости по ГОСТ 2789, мкм, не более

Допуск плоско-

стности,
 
Допуск цилиндричности
и допуск параллельности
 
Затухание звука
, дБ/мм, не более
 

Скорость звука, м/с

Длина (диаметр)
, мм, не менее
 
Ширина
, мм, не менее
 

0,16-1,0

Органическое стекло по

ГОСТ 17622

75±1, 125±1

Rz 20,0

0,05

0,1

0,1

2710 ±100

250

200

1,0-14,0

Алюминиевый сплав Д16Т по

ГОСТ 4784

25±0,5, 50±0,75

Ra 2,5

0,02

0,04

0,05

6420 ±100

90

70

0,6-7,5

Сталь 45 по

ГОСТ 1050

25±0,5, 50±0,75, 75 ±1

Ra 0,63

0,02

0,04

0,05

5915 ±100

90

70

5,0-30,0

Стекло кварцевое по ГОСТ 15130

25±0,5, 50±0,75

Ra 0,32

0,01

0,02

0,05

5970 ±100

50

 

Примечание - Допускается применять сплав Д16ТПП вместо алюминиевого сплава Д16Т по ГОСТ 21488, если значения скорости и затухания звука в этом сплаве аналогичные значениям, приведенным в таблице 1.

 

 

 

Акустические нагрузки должны быть аттестованы по коэффициенту затухания в рабочем диапазоне частот с погрешностью
, дБ/мм (
- высота
или радиус
нагрузки, мм).
 

Акустической нагрузкой иммерсионных ПЭП служит питьевая вода по ГОСТ Р 51232, в которой на расстоянии z от ПЭП находится плоский отражатель.

 

Плоский отражатель должен представлять собой прямой цилиндр (параллелепипед) из нержавеющей стали, удовлетворяющий условиям: высота -
(
- длительность эхоимпульса по ГОСТ 26266,
- скорость звука в стали); диаметр основания (сторона прямоугольника) - не менее 60 мм; параметр шероховатости рабочей поверхности основания -
менее или равно 0,63 мкм; допуск плоскостности - 0,02 мм.
 

Электронный блок УПНК должен соответствовать 3.7.

 

4.1.2. Подготовка и проведение измерений

 

Выбирают акустическую нагрузку для контактных ПЭП в зависимости от частотного диапазона (см. таблицу 1) и типа ПЭП. Схемы расположения ПЭП на нагрузке должны соответствовать представленным на рисунках 4-6, при этом каждой из указанных схем соответствуют следующие ПЭП:

 

 

Рисунок 4 - Контактные, контактно-иммерсионные прямые ПЭП

 

 

 

 

     

Рисунок 5 - Наклонные ПЭП

 

 

 

     

Рисунок 6 - Иммерсионные ПЭП

           

При измерении по схеме расположения ПЭП (см. рисунок 6) значения
z
выбирают из ряда  
z=5n
мм, где
1, 2, 3,.... Для ПЭП, у которых нормируют фокусное расстояние
F
, значение
z
устанавливают равным
F
.
 

Подключают ПЭП к установке и, притирая их к поверхности нагрузки, добиваются устойчивого повторения максимального значения эхо-сигнала. При измерении по схеме расположения ПЭП (см. рисунок 6) следует, изменяя ориентацию ПЭП относительно отражающей поверхности, добиваться максимального значения эхо-сигнала.

 

Значения параметров эхо-импульса
,
,
, максимальное значение амплитуды (размаха) эхо-импульса, максимальное значение амплитуды (размаха) электрического напряжения возбуждения ПЭП и длительность полупериодов измеряют с помощью осциллографа. Отклонением
от его номинального значения является разность между измеренным и номинальным значениями.
 

При малых значениях эхо-сигнала допускается выключать между ПЭП и осциллографом широкополосный усилитель и ограничитель амплитуд импульсов возбуждения.

 

4.1.3 Импульсный коэффициент преобразования
, дБ, вычисляют по формуле
 
,                                                         (1)
 
где
,
- максимальные значения амплитуд (размаха) электрического напряжения возбуждения ПЭП и эхо-импульса, соответственно,
;
 
       
- коэффициент усиления широкополосного усилителя, включаемого между ПЭП и осциллографом.
 
4.1.4 Для повышения точности измерения
контактных ПЭП по 4.1.3 допускается вводить поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала в нагрузке и обусловленную затуханием звука. Для этого в исходную формулу (1) следует добавить слагаемое
, где
- коэффициент затухания звука в материале на номинальной частоте
ПЭП, дБ/мм,
z
- путь, пройденный звуком, мм.
 
При измерении иммерсионных ПЭП допускается вводить поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала при переходе звука через границу раздела "вода - плоский отражатель". Для этого в формулу (1) следует добавить слагаемое
, где
- коэффициент отражения плоской волны при нормальном падении на границу раздела вода - плоский отражатель.
 
4.1.5 Эффективную частоту эхо-импульса
, МГц, вычисляют по формуле
 
,                                                                      (2)
 
где
- число полупериодов эхо-импульса, устанавливаемое в технических условиях на ПЭП конкретного типа;
 
- длительность
полупериодов, мкс. Отклонением
от ее номинального значения является разность между значением
, полученным по формуле (2), и номинальным значением.
 
Для увеличения точности измерения допускается определять
по спектру эхо-импульса. В этом случае эффективной частотой эхо-импульса
является частота, соответствующая максимуму спектра.
 
4.2 Метод измерения мгновенных значений импульсной характеристики
, длительности импульсной характеристики
,
временных интервалов импульсной
характеристики
и импульсного коэффициента преобразования
 

4.2.1. Аппаратура

 

Измерения проводят на установке, схема которой приведена на рисунке 7.

 

 
1
- генератор видеоимпульсов; 2 - широкополосный усилитель;
3
- осциллограф;
4
- проверяемый ПЭП;
5
- акустическая нагрузка;
- резистор сопротивлением (50±1) Ом
 

     

Рисунок 7

           

Генератор видеоимпульсов (генератор ударного возбуждения УПНК) должен обеспечивать возбуждение ПЭП импульсом тока экспоненциальной формы и иметь следующие параметры: амплитуда импульса тока на нагрузку
1000 пФ в пределах диапазона 2-15 А; длительность фронта
мкс; постоянная времени экспоненциального импульса
, мкс, где
- номинальные значения частоты
или
проверяемого ПЭП, МГц.
 
Широкополосный усилитель должен обеспечить усиление эхо-импульса в полосе частот 0,16-30,0 МГц и иметь коэффициент усиления не менее 60 дБ, регулировку усиления 0-60 дБ с погрешностью в пределах ±0,5 дБ, входное активное сопротивление не менее 1,0 кОм, входную емкость не более 30 пФ; динамический диапазон входных сигналов не менее 0,5·10
- 1,0 В, а также уровень шумов не более 50 мкВ. Широкополосный усилитель должен быть устойчив к перегрузкам сигналов генератора видеоимпульсов.
 

Осциллограф и акустические нагрузки должны иметь значения параметров, указанные в 4.1.1.

 

Допускается при измерении параметров специализированных ПЭП выбирать значения резистора
и входного сопротивления широкополосного усилителя такими, чтобы модуль их сопротивления при параллельном соединении был равен входному сопротивлению УПНК с отклонением в пределах допуска на входное сопротивление УПНК.
 

4.2.2 Подготовка и проведение измерений

 

Выбирают акустическую нагрузку, устанавливают на ней ПЭП и добиваются устойчивого повторения эхо-сигнала, как указано в 4.1.2.

 

Измеряют с помощью осциллографа значения параметров эхо-импульса
,
,
,
,
(см. рисунок 8) и максимальное значение импульса тока возбуждения.
 
 

Рисунок 8

Параметры импульса тока возбуждения определяют измерением электрического напряжения на активном сопротивлении
, включенном в цепь тока возбуждения ПЭП или подключенном к генератору через широкополосный трансформатор.
 
4.2.3 Импульсный коэффициент преобразования
, дБ, вычисляют по формуле
 
,                                                         (3)
 
где
- максимальное значение эхо-импульса, В;
- максимальное значение напряжения на сопротивлении
, В;
- сопротивление в цепи тока возбуждения ПЭП, Ом;
- опорный уровень
.
 
4.2.4 Для повышения точности определения
контактных ПЭП по 4.2.3 допускается вводить поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала в нагрузке, обусловленного затуханием звука. Для этого в исходную формулу (3) следует ввести слагаемое
, определенное в 4.1.4. Для иммерсионных ПЭП допускается вводить поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала при переходе звука через границу "вода - плоский отражатель". Для этого в формулу (3) следует добавить слагаемое
, определенное в 4.1.4.
 
4.3 Метод измерения амплитудно-частотной характеристики
, частоты максимума преобразования
и ее отклонения от номинального значения, полосы пропускания
, граничных частот полосы пропускания
, неравномерности амплитудно-частотной характеристики и коэффициента преобразования
и его отклонения от номинального значения
 

4.3.1 Аппаратура

 

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на рисунке 9 или 10.

 

 

1 - генератор радиоимпульсов; 2 - приемник; 3 - осциллограф; 4 - частотомер; 5 - проверяемый ПЭП; 6 - акустическая нагрузка

 

Рисунок 9

 

 

 

1 - генератор импульсов возбуждения; 2 - приемник; 3 - осциллограф; 4 - анализатор спектра; 5 - проверяемый ПЭП; 6 - акустическая нагрузка

     

Рисунок 10

           

Установка (см. рисунок 9) обеспечивает измерение методом, основанным на возбуждении ПЭП радиоимпульсом с прямоугольной огибающей и последующим измерением отношения амплитуд эхо-сигналов и импульсов возбуждения в разных точках рабочего диапазона частот. Благодаря применению установки (см. рисунок 10) можно измерить методом, основанным на возбуждении ПЭП электрическим импульсом произвольной формы и последующим измерением отношения амплитуд огибающей спектра эхо-сигнала и огибающей спектра импульса возбуждения.

 

Генератор радиоимпульсов должен обеспечить возбуждение ПЭП радиоимпульсами с частотой заполнения 0,16-30,0 МГц, длительностью

 

мкс (
- частота заполнения, МГц), амплитудой напряжения не менее
В и иметь подавление сигналов в паузе между радиоимпульсами не менее 70 дБ.
 
Приемник должен обеспечить прием эхо-импульсов в диапазоне частот 0,16-30,0 МГц, иметь чувствительность не менее 2 мВ, входное сопротивление не менее
, регулировку усиления 0-60 дБ с погрешностью не более 0,5 дБ. При работе (см. рисунок 10) приемник должен также обеспечить временное селектирование эхо-импульса с регулируемым интервалом пропускания 1-100 мкс. Широкополосный усилитель должен быть устойчив к перегрузкам сигналов генератора видеоимпульсов.
 

Частотомер должен иметь следующие параметры: диапазон частот 0,16-30,0 МГц; погрешность измерения частоты - не более 0,1%.

 

Генератор импульсов возбуждения должен иметь параметры: амплитуду напряжения импульсов возбуждения ПЭП не менее
и не более
В; длительность импульса в пределах диапазона
мкс, где
- номинальное значение
измеряемого ПЭП, МГц; подавление сигналов в паузе между импульсами не менее 80 дБ.
 

Анализатор спектра должен иметь следующие параметры: диапазон частот 0,16-30,0 МГц; полосу пропускания, регулируемую в пределах 3-70 кГц.

 

Осциллограф и акустические нагрузки должны иметь параметры согласно 4.1.1.

 

Сопротивление
может быть включено как непосредственно в цепь тока возбуждения ПЭП, так и подключено к ней через широкополосный трансформатор.
 

4.3.2 Подготовка и проведение измерений

 

4.3.2.1 Выбирают акустическую нагрузку, устанавливают на ней ПЭП и добиваются устойчивого повторения первого эхо-импульса (далее - эхо-импульса), как указано в 4.1.2.

4.3.2.2 Измерения на установке (см. рисунок 9) выполняют следующим образом. В пределах рабочего диапазона частот ПЭП устанавливают
различных частот заполнения радиоимпульса, длительность которого должна быть такой, чтобы эхо-импульс имел в средней части не менее двух периодов установившихся синусоидальных колебаний. С помощью приемника и осциллографа определяют значения:
 
;
;
,                                    (4)
 
где
- амплитуда импульса напряжения возбуждения ПЭП на частоте
, дБ;
 
- амплитуда импульса напряжения на сопротивлении R на частоте
, дБ;
 
- амплитуда импульса напряжения эхо-импульса на частоте
, дБ.
 
Измерения
и
выполняют при положении переключателя 1-2;
- при положении А-В. Измерение
выполняют по амплитуде или размаху эхо-импульса в области установившихся колебаний.
 

4.3.2.3 Измерения на установке (рисунок 10) выполняют следующим образом. Устанавливают положение и длительность строба селектора приемника такими, чтобы на выход приемника поступал сигнал или только от эхо-импульса, или от импульса возбуждения ПЭП. Используя регулировки приемника и анализатора спектра, определяют в n точках рабочего диапазона частот ПЭП значения:

 

;
;
,                                   (5)*
 
где
- амплитуда огибающей спектра импульса напряжения возбуждения ПЭП на частоте
, дБ;
 
       
  - амплитуда огибающей спектра импульса напряжения на сопротивлении
на частоте
, дБ*;
 
- амплитуда огибающей спектра эхо-импульса на частоте
- амплитуда огибающей спектра эхо-импульса на частоте
, дБ.
 

_____________________

* Формулы и экспликации к ним соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.     

 

4.3.2.4 Число точек n частотного диапазона по 4.3.2.2, 4.3.2.3 выбирают из условия обеспечения требуемой точности измерения соответствующих параметров конкретного типа ПЭП.

 

4.3.2.5 Обработка результатов измерений

 

Амплитудно-частотную характеристику
определяют по формуле
 
,
                             (6)
 
где
- отношение напряжений, измеренных в 4.3.2.2, 4.3.2.3, дБ;
 
- сопротивление в цепи тока возбуждения ПЭП, Ом;
 
- опорный уровень
, равный 1 В/А.
 
Амплитудно-частотной характеристикой
является зависимость
от частоты, полученная по 4.3.2.2, 4.3.2.3.
 
Максимальные значения
являются коэффициентами преобразования
, а соответствующие им частоты - частотами максимума преобразования fUU(UI). Разности между значениями
и
и их номинальными значениями являются их отклонениями от номинальных значений соответственно.
 
Ширину полосы пропускания
вычисляют по формуле
 
,                                                   (7)
 
где
,
- верхняя и нижняя границы интервала частот, МГц, включающего в себя
, на которых
принимает значения на уровне минус 6 дБ.
 
Частоты
,
равны соответственно граничным частотам пропускания
,
, МГц. Неравномерность амплитудно-частотной характеристики
, дБ, вычисляют по формуле
 
,                                                  (8)
 
где
,
- минимальные (максимальные) значения, соответственно,
,
в рабочей области частот ПЭП, дБ.
 
4.3.2.6 Для повышения точности измерений параметров по 4.3.2.5 допускается вводить поправку
, исключающую влияние шунтирования ПЭП в режиме приема электрическим сопротивлением схемы измерения, а также для контактных ПЭП поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала, обусловленного затуханием звука в нагрузке, и для иммерсионных ПЭП поправку
, исключающую влияние ослабления эхо-сигнала при переходе звука через границу "вода - плоский отражатель". Для этого в исходные формулы (4), (5) следует ввести слагаемое
по 4.1.4 и (или)
и (или)
, значения которых вычисляют по формулам:
 
,                                                                  (9)
 
,                                                       (10)
 
где
- коэффициент затухания звука в материале нагрузки на частоте
, дБ/мм;
- путь, пройденный эхо-сигналом в нагрузке, мм;
- электрическое сопротивление ПЭП на частоте
, Ом;
- модуль электрического сопротивления (см. рисунки 9, 10) между точкой "I" и корпусом при подключенном ПЭП, Ом.
 
4.4 Метод измерения электрического сопротивления ПЭП
,
,
 

4.4.1. Аппаратура

 

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на рисунках 11, 12.

 

 
1
- частотомер; 2 - измеритель АЧХ;
3
- графопостроитель;
- проверяемый ПЭП;
- электрическая нагрузка; 4 - акустическая нагрузка
 

     

Рисунок 11

     

     

 

     

- проверяемый ПЭП;
- электрическая нагрузка
 

     

Рисунок 12

           

Измеритель прибора для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) должен иметь следующие параметры: диапазон частот не менее 0,1-35,0 МГц; погрешность измерения относительной амплитуды - в пределах ±(0,4+0,1А) дБ, где А - измеренная относительная амплитуда, дБ; входное сопротивление не менее
; входную емкость - не более 30 пФ.
 

Графопостроитель (двухкоординатный самописец) должен иметь диапазон масштабов регистрации по обоим каналам не менее 0,1- 25,0 мВ/см; погрешность записи в пределах ±1%.

 

Электрическая нагрузка
- активное или емкостное сопротивление, предназначенное для обеспечения постоянства амплитуды тока, протекающего через ПЭП, должно удовлетворять в рабочей области частот условию
.
 

Акустическая нагрузка

 

Параметры нагрузки для контактных ПЭП должны соответствовать параметрам, представленным на рисунке 13.

 

 

Рисунок 13

Материал - оргстекло, сталь 45, алюминиевый сплав Д16Т. Допуск плоскостности и параметры шероховатости рабочей поверхности должны соответствовать значениям, приведенным в таблице 1. Нагрузкой для иммерсионных ПЭП служит вода.

 

Частотомер должен иметь параметры согласно 4.3.1.

 

4.4.2 Подготовка и проведение измерений

 

Выбирают акустическую нагрузку в зависимости от типа ПЭП. Материал нагрузки должен быть таким же, как и материал нагрузки, используемой при измерении
,
. Если
,
измерялись с использованием нагрузки из кварцевого стекла, то при определении
следует использовать нагрузку из алюминиевого сплава Д16Т. При определении электрического сопротивления
нагрузкой ПЭП служит воздух, акустическое сопротивление которого считают равным нулю. Подключают ПЭП к установке, как показано на рисунке 11. Контактные ПЭП устанавливают на акустическую нагрузку. При этом прямые ПЭП устанавливают в соответствии с рисунком 14, наклонные - рисунком 15.
 
 

Рисунок 14

 

 

 

Рисунок 15

           

Измерение электрического сопротивления ПЭП выполняют путем сравнения с сопротивлением
опорного конденсатора или резистора. Для этого устанавливают масштабы изображения на экране измерителя АЧХ и графопостроителя, обеспечивающие наибольшую точность измерения. Проводят запись на графопостроителе кривой
и меток частоты. Подключают вместо ПЭП опорные сопротивления
,
и проводят запись графиков зависимости
,
от частоты. Значения
,
выбирают такими, чтобы кривые зависимости
,
находились в области минимума и максимума кривой
. Электрическое сопротивление
определяют, используя опорные значения кривых
,
, метки частоты и масштабы изображения. Значения
соответствуют максимуму (минимуму) кривой
.
 
Значения
можно также определять по кривой зависимости
на экране измерителя АЧХ подбором
, при которых обеспечивается совпадение изображения
и
в точках минимума и максимума
соответственно.
 
Сопротивления
должны быть определены с погрешностью не более 2%.
 
Для повышения точности измерений
, а также в том случае, когда входное сопротивление измерителя АЧХ менее 20
, допускается выполнять подключение ПЭП к измерителю АЧХ по схеме рисунок 12, где
менее или равно
. В этом случае на экране измерителя АЧХ наблюдается зависимость
, а частотой резонанса является частота в точке максимума графика зависимости
.
 
4.5 Метод измерения коэффициента преобразования
, частоты максимума преобразования
, полосы пропускания
неравномерности амплитудно-частотной характеристики
 
4.5.1 Измеряют амплитудно-частотную характеристику
и электрическое сопротивление
, как указано в 4.3, 4.4. Если невозможно выполнить измерение
по 4.3 ввиду большой длительности импульса возбуждения ПЭП на уровне эхо-сигнала, то допускается использовать акустические нагрузки, имеющие значения
больше указанных в таблице 1, или производить измерения
в теневом варианте, используя для этого два дополнительных однотипных ПЭП, установленных по одной оси с измеряемым ПЭП на противоположной стороне акустической нагрузки. Проверяемые ПЭП следует при этом подключить к приемнику.
 
4.5.2 Вычисляют амплитудно-частотные характеристики
,
, дБ, по формулам:
 
;                  (11)
 
,               (12)
 
где
- амплитудно-частотная характеристика, дБ;
 
- электрическое сопротивление ПЭП, Ом;
- опорный уровень,
В/Па; (
Па/В );
- параметр взаимности, равный
;
- коэффициент затухания звука в материале нагрузки на частоте
, мм
.
 
При измерении
в теневом варианте с использованием двух дополнительных ПЭП значения каждого
вычисляют по формуле
, где
,
,
1, 2, 3;
;
- коэффициент преобразования
-го ПЭП, дБ;
-го ПЭП, дБ;
- коэффицинт преобразования преобразователей с номерами
и
, измеренный в теневом варианте;
- амплитуда напряжения эхо-импульса
-го ПЭП, дБ;
- амплитуда импульса возбуждения
-го ПЭП, дБ.
 
Значения
вычисляют по формуле
, где
;
- площадь рабочей поверхности ПЭП, м
;
- плотность материалов нагрузки, кг/м
;
- скорость звука в материале нагрузки, м/с. Значения
для прямых ПЭП, нагруженных на воду, органическое стекло, алюминиевый сплав Д16Т, сталь 45, приведены на рисунках 16-20 для различных значений безразмерных параметров по формуле
 
;  
,                                               (13)
 
где
- частота, Гц;
- радиус (или половина стороны квадрата) пьезопластины, м;
- путь, пройденный акустическим сигналом в нагрузке, м.
 
Когда конструкция ПЭП или материал акустический нагрузки не позволяют воспользоваться значениями
для вычисления параметров взаимности см. рисунки 16-20, эти значения должны быть указаны в технических условиях на конкретный тип ПЭП.
 
 

     

;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
 

     

Рисунок 16 - Значения параметра взаимности
для ПЭП с круглой пьезопластиной,
нагруженного на воду
 

     

     

 
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
 
Рисунок 17 - Значения параметра взаимности
для ПЭП с квадратной пьезопластиной, нагруженного на воду
 

     

     

 
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
 

     

Рисунок 18 - Значения параметра взаимности
для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на органическое стекло
 

     

     

 
;
;
;
;
;
;
;
;
;
 

     

Рисунок 19 - Значения параметра взаимности
для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на алюминиевый сплав Д16Т
 

     

     

 
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
 
Рисунок 20 - Значения параметра взаимности
для ПЭП с круглой пьезопластиной, нагруженного на сталь 45
 
4.5.3 Максимальные значения
, измеренные по 4.5.2, являются коэффициентами преобразования
, а соответствующие частоты - частотами
.
 
Ширину полосы пропускания
, МГц, вычисляют по формуле
 
,                                                 (14)
 
       
    ,
- соответственно верхняя и нижняя границы интервала частот, МГц, включающего в себя
, на которых
принимает значения на уровне минус 3 дБ.
 
Неравномерность амплитудно-частотной характеристики
, МГц, вычисляют по формуле
 
,                                                 (15)
 
где
,
- минимальные (максимальные) значения
,
, соответственно, в рабочей области частот ПЭП.
 
4.5.4 С целью повышения производительности измерений определение параметров
,
,
может быть выполнено с помощью диэлектрических преобразователей, как указано в приложении В, а определение
,
- методом сравнения с ПЭП того же типа, параметры которого измерены по 4.5.1-4.5.3.
 
В этих случаях допускается измерение
выполнять на частоте, равной номинальному значению
.
 
4.6 Метод измерения времени распространения звука в призме
 

4.6.1 Аппаратура

 

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на рисунке 1. Электронный блок УПНК, акустические нагрузки и стандартные образцы должны соответствовать представленным в 4.9. 4.11 и таблице 1, осциллограф - 4.1.

 

4.6.2 Подготовка и проведение измерений

 

Измерение
 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 рисунке 21 а, раздельно-совмещенные ПЭП и наклонные ПЭП - на рисунке 21 б. 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
 
;
,                                              (16)
 
где
- время распространения звука в призме
-го преобразователя, мкс;
- измеренный в микросекундах интервал времени при использовании в качестве излучателя
-го и приемника
-го ПЭП;
,
,
равны 1, 2, 3.
 
 

1 - первый ПЭП; 2 - второй ПЭП; 3 - призма первого ПЭП; 4 - призма второго ПЭП

     

Рисунок 21

           

4.6.3 Если соблюдаются условия:

 

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

 

- наклонные ПЭП имеют номинальные значения
более или ровно
, где
- время распространения звуковых волн в акустической нагрузке, соответствующей рисунку 3;
 
- если импульс возбуждения не маскирует эхо-импульс от свободной грани призмы прямых совмещенных ПЭП, измерения
следует проводить следующим образом. Подключают измеряемый ПЭП к УПНК и устанавливают его на акустическую нагрузку или стандартный образец, как указано в 4.1.2.  Схема расположения наклонных ПЭП для возбуждения объемных волн должна соответствовать приведенной на рисунке 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 4.1.2.
 
 

Рисунок 22

Для раздельно совмещенных и прямых ПЭП с призмой измеряют по экрану осциллографа временной интервал в микросекундах между импульсами возбуждении 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
. Время распространения звука в призме
, мкс, для наклонных ПЭП определяют по формуле
 
,                                                             (17)
 
где
(
) - временной интервал между импульсом возбуждения и первым (вторым) эхо-импульсом от отражателя, мкс.
 
4.7 Метод измерения угла ввода
и его отклонения от номинального значения, ширины диаграммы направленности
уровня боковых лепестков
иммерсионных ПЭП
 

4.7.1 Аппаратура

 

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

 

 
1
- иммерсионная ванна;
2
- узел фиксации отражателя;
3
- плоский отражатель;
4
- сферический отражатель;
5
- узел фиксации ПЭП;
6
- проверяемый ПЭП;
7
- механизм перемещения по координатам
,
;
8
- графопостроитель;
9
- приемник;
10
- генератор;
11
- осциллограф
 

     

Рисунок 23

           

Иммерсионная ванна, содержащая узлы фиксации ПЭП и отражателей совместно с механизмом перемещения, должна обеспечить перемещение отражателя (или ПЭП) по координатам
,
в диапазонах от минус 30° до плюс 30° и от 0 до 250 мм соответственно, а также поворот ПЭП вокруг оси
на 360°. Погрешность определения местоположения отражателя относительно ПЭП по
не должна быть более 12’; по
- 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 Ra менее или равно 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
измеряемых ПЭП, временное селектирование эхо-импульса от сферического отражателя, его преобразование 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
, МГц, радиоимпульсами длительностью (2-15)/
мкс, с частотой следования в диапазоне 400-2000 Гц и амплитудой напряжения возбуждения ПЭП не менее
и не более
В.
 
Осциллограф и графопостроитель должны иметь параметры согласно 4.1.1. 4.3.1. Установка должна обеспечивать запись углового положения отражателя по координате
с погрешностью масштаба не более 1,5%. Метод проверки масштаба записи приведен в приложении Г.
 

2.7.2* Подготовка и проведение измерений

__________________

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.     

 

Устанавливают в узел фиксации сферический отражатель, удовлетворяющий условиям:

 

d=2
мм при
МГц;
 
d
=5 мм при
МГц;
 
d
=10 мм при
МГц,
 
где
- номинальная частота максимума преобразования
или эффективная частота
проверяемого ПЭП, МГц.
 
Устанавливают расстояние от ПЭП до сферического отражателя не менее
при измерении диаграммы направленности до уровня минус 6 дБ и не менее
при измерениях диаграммы направленности до уровня минус 20 дБ, где
;
;
- радиус (или половина размера пьезоэлемента) проверяемого ПЭП в рабочей плоскости, мм;
- скорость звука в воде, мм/мкс.
 
Если средства измерения не позволяют реализовать условие
более или равно
, следует применить плоский отражатель, установив его на расстоянии
менее или равно
. Допуск перпендикулярности рабочей поверхности плоского отражателя к оси
должен быть 0,02 мм на базе 100 мм.
 

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

 

Устанавливают частоту генератора радиоимпульсов, равную частоте
проверяемых ПЭП. Перемещая отражатель в области
приблизительно равной 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
и записывают график диаграммы направленности на графопостроителе. На полученный график наносят линию, соответствующую уровню 6 дБ.
 
Поворачивают ПЭП вокруг оси
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
необходимо масштаб записи увеличить в два раза, а значения ординат по оси
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.

 

4.7.3 Обработка результатов измерений

 

Ширину диаграммы направленности
и угол ввода
вычисляют по формулам:
 
;
;
,                                                    (18)
 
где
- масштаб записи, ....°/мм;
- ширина графика диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, мм;
- расстояние от максимума диаграммы направленности до геометрической оси преобразователя, мм. Отклонением угла ввода
от его номинального значения является разность между значением, полученным по формуле (18), и номинальным значением.
 
Область основного лепестка определяют по графику диаграммы направленности. Для этого измеряют слева (справа) от точки
, соответствующей значению диаграммы направленности на уровне минус 6 дБ, разность между минимумами диаграммы направленности и следующими за ними влево (вправо) максимумами. Ближайшую к точке
точку минимума, в которой эта разность превышает 3 дБ, принимают за левую (правую) границу основного лепестка.
 
Уровнем боковых лепестков
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.
 
4.8 Метод измерения угла ввода
и его отклонения от номинального значения, ширины диаграммы направленности
, отклонения точки ввода
, стрелы ПЭП
, уровня боковых лепестков
контактных и контактно-иммерсионных ПЭП
 

4.8.1 Аппаратура

 

Измерения следует проводить на установке, схема которой приведена на рисунке 24. Акустические нагрузки должны соответствовать приведенным на рисунках 25, 26 и в таблице 2. Акустические нагрузки, соответствующие представленным в таблице 2, должны быть аттестованы по коэффициенту затухания в рабочем диапазоне частот с погрешностью не более
, дБ/мм (
- высота
или радиус
нагрузки, мм).
 

Акустические нагрузки для измерения диаграммы направленности

 

 

1 - генератор радиоимпульсов; 2 - приемник; 3 - осциллограф; 4 - проверяемый ПЭП; 5 - акустическая нагрузка; 6 - устройство ориентации

 

Рисунок 24

 

 

 

 

Рисунок 25

 

 

 

     

Рисунок 26

 

 

Таблица 2 - Параметры акустических нагрузок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диапа-

зон частот, МГц

Материал

Диаметр
, мм
 

Параметр шерохо-

ватости по ГОСТ 2789,  мкм, не более

Допуск плоскост-

ности
 

Допуск парал-

лельности
 
Затухание звука
дБ/мм, не более
 

Скорость звука, м/с

Длина
, мм, не более
 
Ширина
, мм, не более
 
Высота
, мм, не более
 

0,16-1,0

Органическое стекло по

ГОСТ 17622

10,0+0,022

20,0
 

0,05

0,1

0,1

2710 ±100

350

160

130

0,6-7,5

Сталь 45 по

ГОСТ 1050

5,0±0,012