авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет – УПИ”

А. Ф. ЗАЦЕПИН

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ

Учебное пособие

Научный редактор проф., д-р техн. наук В.С. Кортов

Екатеринбург

2006

УДК 534.2:658.562.6(042.4) ББК 22.32+30.607я73 З 38 Рецензенты: кафедра физики УГЛТУ (зав. кафедрой, проф., д-р физ.-мат. наук М.П. Кащенко);

д-р физ.-мат. наук А.Б. Ринкевич (ИФМ УрО РАН) А. Ф. Зацепин З 38 Физические основы ультразвуковой дефектометрии: учебное пособие.

В 2 ч. Ч.2 / А.Ф. Зацепин. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006. – 117 с.

ISBN 5-321-00-943-0 Настоящее учебное пособие представляет собой вторую часть конспекта лекций по курсу «Акустический контроль», читаемого студентам специально сти 190200 Приборы и методы контроля качества и диагностики. В пособии изложены основные принципы излучения и приема ультразвука. Рассмотрены методы расчета акустических полей, метрологические аспекты ультразвуковой дефектоскопии. Особое внимание уделено технологии ультразвукового контро ля, стандартным образцам, устройству и областям применения наиболее рас пространенных типов УЗ-дефектоскопов.

Публикуется в рамках плана Уральского НОЦ «Перспективные материа лы» (Award No. REC - 005 of the U.S. Civilian Research & Development Founda tion (CRDF)) и при поддержке РФФИ (грант №04-02-96067-р2004урал_а «Аку стические свойства материалов в состоянии предразрушения»).

Библиогр.: 8 назв. Табл. 4. Рис. 58.

УДК 534.2:658.562.6 (042.4) ББК 22.32+30.607я ГОУ ВПО «Уральский государственный ISBN 5-321-00-943- технический университет – УПИ», А.Ф. Зацепин, «…Господь, небеса, все божественные слова в волнах…»

Нострадамус СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ АК – акустический контроль АРД – амплитуда – расстояние – диаметр АЧХ – амплитудно-частотная характеристика НК – неразрушающий контроль ОК – объект контроля ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь ЭМА – электро-магнитно-акустический СО – стандартный образец СОП – стандартный образец предприятия УЗК – ультразвуковые колебания ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 1. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА.......................................... 1.1. Пьезоэлектрический эффект......................................................................... 1.2. Пьезоэлектрические материалы и их свойства.......................................... 1.3. Классификация пьезопреобразователей.

.................................................... 1.4. Конструкция преобразователей.................................................................. 1.5. Обозначение пьезопреобразователей......................................................... 1.6. Передаточная функция преобразователя................................................... 1.7. Эквивалентные схемы пьезоизлучателей и приемников.......................... 1.8. Рациональный выбор параметров преобразователя.................................. 1.9. Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн............ 1.10. Контрольные вопросы............................................................................... 2. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.................................................................................. 2.1. Поле преобразователя произвольной формы............................................. 2.2. Поле дискового преобразователя............................................................... 2.3. Диаграмма направленности........................................................................ 2.4. Поле кольцеобразного преобразователя.................................................... 2.5. Поле прямоугольного преобразователя..................................................... 2.6. Поле преобразователя с акустической задержкой..................................... 2.7. Контрольные вопросы................................................................................. 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ.............................................................................................. 3.1. Модели дефектов......................................................................................... 3.2. Расчет акустического тракта для случая прямого преобразователя........ 3.3. Расчет акустического тракта с наклонным преобразователем................. 3.4. Стандартные образцы (СО)......................................................................... 3.5. Эквивалентный размер дефекта................................................................. 3.6 АРД-диаграмма............................................................................................ 3.7. Контрольные вопросы................................................................................. 4. АППАРАТУРА И ТЕХНОЛОГИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ........... 4.1. Ультразвуковой дефектоскоп..................................................................... 4.2. Шумы и помехи при ультразвуковом контроле........................................ 4.3. Причины возникновения и способы подавления ложных сигналов........ 4.4. Процедура контроля.................................................................................. 4.5. Основные термины и определения акустического контроля.................. 4.6. Контрольные вопросы............................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................................. ВВЕДЕНИЕ Данное учебное пособие представляет собой вторую часть курса лекций «Акустической контроль». Часть первая «Введение в физику акустического контроля», изданная в 2005 году, посвящена рассмотрению основ физики ко лебаний малой амплитуды, закономерностей распространения и трансформа ции акустических волн. Главное внимание в указанном издании было сконцен трировано на основных понятиях геометрической и волновой акустики и фи зических принципах, положенных в основу ультразвуковых методов контроля.

Отличительная особенность настоящего пособия состоит в том, что оно содержит информацию об устройстве и характеристиках электроакустических преобразователей, методиках расчета параметров акустических полей и аку стического тракта, включает сведения о дефектоскопической аппаратуре и технологии акустического контроля. Значительное уделено группе активных методов отраженного УЗ-излучения, получивших в настоящее время наиболее широкое распространение в практике неразрушающего контроля.

В пособии приведены примеры анализа характеристик акустического поля в произвольной точке пространства с учетом отражательной способности дефектов, наличия границ раздела сред и фазовых неоднородностей. Показано, что расчет поля излучения-приема пьезоэлектрических преобразователей сво дится к определению амплитуды полезного сигнала, несущего информацию об измеряемом параметре. Для этого требуется вычисление передаточной функции двойного преобразования электрических сигналов в акустические и обратно акустических сигналов в электрические.

Вопросы собственно УЗ-дефектометрии изложены в последовательности, включающей вывод аналитических выражений для полезных сигналов, учет помех и ложных сигналов, выбор метрологического обеспечения и оптимиза цию параметров метода контроля. Описаны принципы и даны примеры органи зации схем акустического контроля. Указанные вопросы рассматриваются пре жде всего с точки зрения задач, решаемых при проектировании специализиро ванной аппаратуры и развитии технологии УЗ-дефектоскопии.

1. ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА В настоящее время ультразвуковую (УЗ) контрольно-измерительную аппа ратуру применяют в самых различных областях науки и техники: в дефекто скопии, при медицинской диагностике, исследовании физических свойств ма териалов, контроле геометрических размеров объектов и т. д. Обработка по лезных сигналов значительно облегчается, если импульсы акустических волн имеют заданную пространственно-временную характеристику. Поэтому важ нейшие функциональные и метрологические возможности ультразвуковой ап паратуры неразрушающего контроля определяются, как правило, параметрами электромеханических преобразователей – излучателей и приемников УЗ колебаний. Ультразвуковые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний в механические и обратно. В ка честве первичных датчиков используют преобразователи различных типов. По принципу действия преобразователи делятся на группы:

– механические;

– электродинамические;

– электрострикционные;

– пьезоэлектрические;

– магнитодинамические;

– магнитострикционные и др.

Наибольшее распространение в современных приборах УЗ-дефектоскопии получили пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).

1.1. Пьезоэлектрический эффект Под воздействием механического напряжения или деформации в кристал ле может возникнуть электрическая поляризация, величина и знак которой за висят от направления и значения приложенного напряжения. Это явление, на зываемое пьезоэлектрическим эффектом, положено в основу пьезоэлектриче ских преобразователей.

В качестве материалов для пьезоэлементов используют ионные кристаллы, в структуре которых расположены разноименные ионы (катионы и анионы).

При определенных типах симметрии кристаллической решетки ионных кри сталлов их деформация приводит к пространственному перераспределению электрических зарядов. Иначе говоря, природа пьезоэлектрического эффекта связана с изменением положения ионов в кристаллической решетке вещества.

Под влиянием деформации ионы перемещаются таким образом, что образуются электрические диполи и кристалл оказывается поляризованным (рис. 1.1).

Если к поверхностям пьезоэлемента приложить переменное электрическое напряжение, то преобразователь вследствие пьезоэффекта будет генерировать механические колебания (сжиматься и растягиваться) с частотой приложенного электрического напряжения. Таким образом, пьезоэлектрический преобразова тель позволяет трансформировать электрические колебания в ультразвуковые (режим излучения), и наоборот, ультразвуковые в электрические (режим приема).

В преобразователях УЗ-дефектоскопов пьезоэлементы обычно имеют фор му плоскопараллельных пластин. На рис. 1.2 показаны различные типы дефор маций, которые может испытывать пластина. Для генерации или приема про дольных колебаний используют деформацию растяжения-сжатия, сдвиговую деформацию – для генерации или приема поперечных колебаний.

С математической точки зрения пьезоэффект можно определить как сово купность уравнений, линейно связывающих механические и электрические ве личины. Коэффициенты пропорциональности между этими величинами назы вают пьезоэлектрическими коэффициентами (пьезомодулями), которые в об щем случае представляют собой тензоры третьего ранга. Это обусловлено тем, что вследствие низкой симметрии кристаллической структуры любой пьезома териал является анизотропным веществом.

Уравнения прямого пьезоэффекта:

Pn = d nik Tik, (1.1) Pn = e nik ik, (1.2) E m = -hmik ik, (1.3) E m = - g mik Tik. (1.4) Уравнения обратного пьезоэффекта :

ik = d mik E m, (1.5) Tik = -emik E m, (1.6) Tik = - hnik Pn, (1.7) ik = g nik Pn, (1.8) где Pn – вектор поляризации;

Tik – тензор механического напряжения;

ik – тензор относительной деформации;

E m – вектор напряженности электрическо го поля;

d mik, emik, hnik, g nik – пьезомодули.

Благодаря симметрии по индексам i, k пьезомодули имеют 18 независимых компонентов. Уравнения (1.1–1.8) показывают, в каком состоянии находится образец, обладающий пьезосвойствами:

1) механический зажатый образец – деформация постоянна и равна нулю.

2) механически свободный образец – напряжения равны нулю.

3) электрически свободное (закороченное) состояние – вся поверхность на ходится под одним и тем же потенциалом.

4) электрически зажатое (разомкнутое) состояние соответствует полной электрической изоляции образца, т. е. отсутствию на его поверхности свободных зарядов.

Рис. 1.1. Расположение ионов в кристалле:

а – деформация отсутствует, кристалл электрически нейтрален;

б – смещение зарядов в результате деформации Рис. 1.2. Типы деформации пьезоэлектрических пластин:

а – растяжение-сжатие по толщине;

б – растяжение-сжатие по ширине;

в – сдвиг по толщине;

г – сдвиг по ширине На практике чаще реализуются коэффициенты d mik и g nik. Коэффициент d mik характеризует электрическую поляризацию. Материалы с большим значе нием d mik используют в режиме приема и излучения, если необходима сильная деформация. Материалы с большим значением пьезокоэффициента g nik ис пользуют в режимах приема и излучения для создания большого напряжения.

Следует особо подчеркнуть, что пьезомодули прямого и обратного пьезоэффек та не равны между собой. Симметричность тензора пьезомодулей позволяет в практических расчетах использовать матричную форму записи уравнений. При этом вводят следующую систему обозначений:

d111 = d11, d122 = d 22, d133 = d 33.

И учитывают равенства:

d11 = -d12, d 25 = -d14, d 26 = -d11.

Матрица пьезомодулей d для кристаллов a-кварца имеет вид d11 - d11 0 d14 d =0 - 2d11.

- d 0 0 0 00 Строки матрицы характеризуют поляризацию вдоль кристаллографиче ских осей X, Y и Z (строки 1, 2 и 3 соответственно). Из приведенной выше мат рицы следует, что вдоль направления Z кварц пьезоэлектрически нейтрален.

Модуль d11 характеризует деформацию пьезопластин типа растяжение-сжатие, d14 – сдвиговую деформацию.

Наибольший практический интерес представляет собой обратный пьезо эффект, возбуждаемый в пьезоэлектрике приложенным к нему переменным на пряжением. В этом случае кварцевая пластина будет совершать вынужденные механические колебания в такт изменения внешнего поля. Амплитуда этих ко лебаний достигает максимума, когда частота электрического поля окажется равной частоте собственных колебаний пластины.

Благодаря обратному пьезоэффекту возможно возникновение колебаний по длине и по толщине пластины. Если пренебречь колебаниями по длине, то собственная частота основных продольных колебаний будет равна C f=, (1.9) r 2d где – плотность кристалла, С11 – соответствующий данному типу и ори ентации колебаний модуль упругости. Однако эта формула верна лишь в при ближении отсутствия поперечного сжатия.

Пьезокристалл представляет собой электромеханический преобразователь.

При подаче напряжения в нем запасается определенное количество электриче ской энергии, часть которой в силу пьезоэлектрических свойств кристалла пе реходит в механическую энергию упругих деформаций. Соотношение этих энергий есть мера эффективности электромеханического преобразователя и на зывается коэффициентом электромеханической связи k.

При колебаниях по толщине механическая энергия на единицу объема кристалла определяется как E мех = C11 d 11 E x, 2 (1.10) электрическая энергия на единицу объема:

E x E эл =. (1.11) Квадрат коэффициента электромеханической связи k2 определяется как от ношение генерируемой в кристалле механической энергии к запасаемой в нем электрической, следовательно 4 C k = d11. (1.12) Указанный коэффициент связывает пьезоэлектрический модуль с упруги ми и диэлектрическими параметрами кристалла, то есть наилучшим образом характеризует кристалл как электромеханический преобразователь.

Наряду с пьезопреобразователями для целей УЗ-контроля используются другие физические явления, например, электрострикцию. Главная отличи тельная особенность эффекта электрострикции состоит в нелинейной взаимо связи между электрическими и механическими величинами. Упрощенно урав нение электрострикции можно записать в следующем виде:

= kE 2, (1.13) где k – коэффициент электрострикции (обычно это тензор четвертого ранга, имеет 81 независимую компоненту).

1.2. Пьезоэлектрические материалы и их свойства Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используются неполярные и полярные пьезоматериалы.

Неполярные пьезоэлектрики характеризуются малыми значениями диэлек трической проницаемости и пьезоэлектрических модулей. Для них компоненты eij составляют порядка 1-20, d ik = (2 5) 10 -12 Кл / Н. Материалы этой группы имеют малые диэлектрические и механические потери, наблюдается слабая за висимость пьезосвойств от температуры. По электрическим свойствам непо лярные пьезоэлектрики делят на пьезодиэлектрики и пьезополупроводники. Из пьезодиэлектриков этой группы наиболее широко известен a-кварц. Типичны ми представителями группы пьезополупроводников являются сульфид и селе нид кадмия, окись цинка.

Полярные пьезоэлектрики отличаются от других пьезоматериалов наличи ем собственной электрической поляризации, существующей при отсутствии внешней механической деформации и внешнего электрического поля. Они в свою очередь подразделяются на линейные (пироэлектрики) и нелинейные (сегнетоэлектрики). Наиболее существенные отличия сегнетоэлектриков от пироэлектриков состоят в том, что они имеют доменную структуру, характери зуются высокими значениями спонтанной поляризации, диэлектрической про ницаемости и пьезомодулей, тогда как свойства пироэлектриков мало отлича ются от свойств неполярных пьезоэлектриков. Основные представители пиро электриков – турмалин, сульфат лития, оксид бериллия.

Наибольшее распространение в современных УЗ-преобразователях нашли сегнетоэлектрические материалы, из которых изготавливаются керамические пластины различных размеров и форм. Практическую ценность представляет керамика на основе твердых растворов титаната бария-калия (ТБК-3) и цирко ната-титаната свинца (ЦТС-19). Для придания пьезосвойств керамика подвер гается электрической поляризации, для чего ее медленно нагревают во внешнем электрическом поле высокой напряженности до температуры выше точки Кю ри, а затем медленно охлаждают. Основные характеристики некоторых пьезо материалов даны в табл.1.1 и 1.2.

Таблица 1. Основные характеристики наиболее часто используемых пьезоматериалов Класс Кристаллы Керамика - Сульфат Материал Турмалин ЦТС-19 ТБК- кварц лития Перпенд. плоскости пла Срез X Y Z стины Cl103, м/с 5,74 7,15 5,46 3,3 4, Cl106, 15,2 22,2 11,2 23,0 25, кг/(м2с) Рmax·105, Н/м 950,0 – 150,0 600,0 750, 4,5 7,5 10,3 1685,0 1200, e, Кл/м2 0,175 0,32 0,9 14,4 12, 0,094 0,098 0,380 0,4 0, Tmax, С 570,0 – 75,0 290,0 100, Обозначения, принятые в таблице:

Сl – скорость звука;

Cl – характеристический импеданс;

– диэлектрическая проницаемость;

е – пьезоконстанта;

– коэффициент электромеханической связи;

Tmax – максимальная рабочая температура;

Рmax – максимальное механическое напряжение.

Таблица 1. Сравнительная характеристика монокристаллов и керамики Свойства Монокристаллы Керамика Пьезомодуль, d невысокий высокий Обл. рабочих темпе 500-600 200- ратур, Tmax, С Добротность, Q высокая низкая Температурная ста- старение высокая бильность свойств (располяризация) Экономичность низкая высокая 1.3. Классификация пьезопреобразователей Преобразователи для приборов неразрушающего контроля классифициру ют по ряду признаков.

По способу ввода УЗ-колебаний различают:

– контактные преобразователи, которые прижимаются к поверхности изде лия, предварительно смазанной жидкостью (маслом, глицерином и т. п.);

в некоторых случаях слой жидкости заменяют эластичным материалом (эластичным протектором);

– иммерсионные преобразователи, между поверхностью которых и изделием имеется толстый слой жидкости (толщина этого слоя во много раз превы шает длину волны);

при этом изделие целиком или частично погружают в иммерсионную ванну;

– щелевые (менисковые) преобразователи, между поверхностью которых и изделием создается зазор порядка длины волны ультразвука;

жидкость в за зоре удерживается силами поверхностного натяжения;

– преобразователи с сухим точечным контактом, имеющие шарообразную поверхность, плотно соприкасающуюся с изделием, площадь соприкосно вения 0,010,5 мм2;

– бесконтактные преобразователи, возбуждающие акустические колебания в изделии через слой воздуха (воздушно-акустическая связь).

Использование контактных преобразователей с эластичным протектором, а также щелевых, контактно-иммерсионных и бесконтактных преобразователей позволяет снизить требования к чистоте поверхности контролируемого изделия.

По способу конструктивного исполнения:

– совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с гене ратором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

– раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с ге нератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

– раздельно-совмещенные (РС) преобразователи состоят из излучателя и при емника, конструктивно связанных между собой, но разделенных электриче ским и акустическим экранами.

По направлению УЗ-волны:

– прямые;

– наклонные;

– комбинированные.

По форме рабочей поверхности или пьезоэлемента:

– плоские преобразователи с пьезопластиной плоской формы;

– фокусирующие преобразователи, обеспечивающие сужение акустиче ского поля в некоторой области контролируемого объекта;

– неплоские.

Раздельно-совмещенные преобразователи в зависимости от направления их общей акустической оси, соответствующей направлению максимальной чув ствительности таких преобразователей, называют также нормальными или на клонными. Преобразователи с переменным углом наклона позволяют в опреде ленных пределах изменять угол ввода луча.

1.4. Конструкция преобразователей Прямой преобразователь. Прямой совмещенный преобразователь пред назначен для генерации и приема продольных волн в импульсном режиме.

Наибольшее распространение совмещенные преобразователи получили в каче стве датчика эхо-импульсных ультразвуковых дефектоскопов. Типовая схема такого преобразователя представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема совмещенного пьезопреобразователя: 1 – пьезоэлемент;

2 – демпфер;

3 – электрод;

4 – протектор;

5 – контактная жидкость;

6 – объект контроля Пьезоэлемент изготавливают, учитывая условие резонанса h = /2. Разме ры в поперечных направлениях выбирают такими, чтобы интервалы времени пробега продольных УЗ-волн по толщине и длине пьезоэлемента значительно различались. Поперечные размеры пьезоэлемента должны быть во много раз больше его толщины.

Важную роль в обеспечении нормальной работы пьезоэлемента играют металлические электроды, которые наносятся не на всю поверхность, чтобы из бежать пробоя по краям. В качестве материала электродов в основном исполь зуют серебро и никель. При прочих равных условиях соотношение между раз мерами площадей поверхности пьезопластины, покрытых электродами и сво бодных от них, оказывает существенное влияние на добротность пьезоэлемента и характеристики акустического поля. Регулируя размер электродов, можно в довольно широких пределах менять характеристики акустического поля в изделии.

Протектор предназначен для защиты пьезоэлемента от механических по вреждений, защиты от коррозии и для обеспечения акустического контакта.

Толщина протектора обычно выбирается четвертьволновой для обеспечения качественно акустического контакта. Для протекторов выбирают материалы, характеризующиеся высокой износостойкостью, малым затуханием УЗК и вы сокой скоростью звука.

Демпфер защищает пьезоэлемент от механических повреждений и гасит паразитные колебания. Демпфер изготавливают из материала с большим по глощением ультразвука, чтобы отраженная от верхней грани волна не возвра щалась к пьезоэлементу и не вызывала помех. Рекомендуется, чтобы демпфер обеспечивал затухание паразитных сигналов не менее 60–80 дБ.

Между пьезоэлементом и объектом контроля обычно располагается не сколько тонких промежуточных слоев. Сюда, в частности, входит электрод 3, подводящий электрическое напряжение к пьезопластине, протектор 4, защи щающий пьезопластину от механических повреждений, и прослойка контакт ной жидкости между протектором и изделием (см. рис 1.3).

Добротность является важной характеристикой преобразователей любого типа, т. к. она характеризует резонансные свойства колебательной системы.

Добротность определяется как:

f Q=, (1.14) Df где f 0 – резонансная частота системы, Df – полоса частот на заданном уровне (например, на уровне 0,7 или 0,5 от амплитуды на резонансной частоте).

Полоса частот определяет фронтальную разрешающую способность. Лу чевая разрешающая способность зависит от длительности УЗ-импульса. Об щая добротность системы определяется величинами акустической Q АК и элек трической QЭЛ добротности и связана с ними соотношением:

1 1 = +. (1.15) Q Q АК QЭЛ Управлять акустической добротностью можно только на стадии изготов ления за счет изменения конструктивных особенностей преобразователя. На электрическую добротность влияют параметры электрической цепи, поэтому ее можно изменять путем настройки электроакустического тракта прибора. Доб ротность связана с АЧХ, точнее – с полосой пропускания Df (рис. 1.4). Чем выше добротность, тем более узкой будет полоса пропускания частот.

Рис. 1.4. Амплитудно-частотная характеристика преобразователя Повышение добротности увеличивает амплитуду колебаний пьезоэлемен та, и, следовательно, повышает чувствительность прибора. Однако увеличение длительности колебаний пьезопластины весьма нежелательно при импульсном режиме работы, т. к. это мешает раздельной регистрации двух быстро следую щих друг за другом импульсов. При большой добротности колебания пьезопла стины долго не затухают, а фронт импульсов размывается, что существенно ухудшает лучевую разрешающую способность дефектоскопа.

Наклонные преобразователи. Наклонный преобразователь (рис. 1.5) ис пользуется для приема и излучения поперечных волн.

Выбор рабочего пьезоэлемента для наклонных преобразователей зависит от решаемых дефектоскопических задач, т. к. наряду с обычными требованиями здесь необходимо учесть наличие обязательной акустической линии задержки (более подробно об этом будет рассказано ниже), а также широкое применение преобразователей наклонного типа для выявления труднодоступных и удален ных дефектов. С учетом этого при выборе материала пьезопластины для на клонного преобразователя предпочтение отдают материалам с малым характе ристическим импедансом и низкой диэлектрической проницаемостью.

Рис. 1.5. Схема устройства наклонного преобразователя: 1 – пьезопластина;

2– демп фер;

3 – призма;

4 – контактная жидкость;

5 – объект контроля;

a – угол призмы;

b – угол ввода Призма обеспечивает ввод упругих колебаний в объект контроля под не обходимым углом. Призма должна обеспечить при малых углах падения (углах призмы) достаточно большие углы b – углы преломления акустической оси, что достигается за счет разности скорости ультразвука в материале призмы и в материале изделия. В качестве материала призмы обычно выбирают органиче ское стекло (плексиглас). Геометрические размеры призм в зависимости от на значения преобразователя могут изменяться в широких пределах. При этом также изменяются углы ввода луча в объект контроля. В наклонных преобразо вателях, осуществляющих контроль на сдвиговых волнах, углы призмы (углы падения) имеют значения в интервале между первым и вторым критическими углами.

Важной характеристикой и геометрическим параметром призмы является стрела преобразователя Dl – расстояние от точки ввода УЗ-пучка в изделие до передней грани призмы (см. рис. 1.5). Стрела характеризует минимальное рас стояние, на котором можно расположить преобразователь вблизи выступов на поверхности изделия (например, валик усиления сварного шва). Это расстояние выбирают таким образом, чтобы УЗ-колебания, зеркально отражающиеся от передней грани призмы и поверхности изделия, не попадали непосредственно на пьезоэлемент.

Другая характеристика наклонного преобразователя – точка выхода луча.

Знание точного положения этой точки необходимо для определения условных размеров обнаруженного дефекта.

Угол ввода – угол, при котором регистрируется максимальное отражение от модельного дефекта в виде горизонтального сверления в стандартном образ це СО-2. Как правило, при больших углах призмы угол ввода может сущест венно отличается от угла преломления акустической оси.

Раздельно-совмещенный преобразователь (рис. 1.6). В рассмотренных выше преобразователях возникновение шумов обусловлено реверберационны ми явлениями в самом пьезоэлементе и в элементах конструкции пьезопреобра зователей. Наиболее очевидный способ устранения этих шумов – применение раздельных пьезоэлементов для излучения и приема упругих сигналов. Такие преобразователи получили название раздельно-совмещенных (РС). Для удобст ва работы приемный и излучающий пьезоэлементы объединены в общий кор пус. В РС-преобразователях длительность излучаемых упругих сигналов и ре верберационные шумы мало влияют на выявление близко расположенных де фектов.

Рис. 1.6. Схема устройства раздельно-совмещенного преобразователя: 1 – электроаку стический экран;

2 – пьезопластина;

3 – демпфер;

4 – призма;

5 – корпус;

6 – объект контроля РС-преобразователи наиболее широко применяют в тех случаях, когда не обходимо обеспечить малую мертвую зону, например, при контроле толщины изделий с малыми размерами в направлении прозвучивания. Наиболее массо выми изделиями такого типа, кроме листового проката, являются прутки и тру бы. РС-преобразователи применяются также при контроле изделий из крупно зернистых материалов и при контроле с применением головных волн.

Специальные пьезопреобразователи. К специальным пьезопреобразова телям относят различные фокусирующие системы, а также так называемые фа зированные решетки. Фокусирующие системы применяют для повышения раз решающей способности, чувствительности (особенно на фоне структурных по мех), точности определения координат и размеров дефекта. Существует четыре основных типа фокусирующих систем.

Активные концентраторы – изогнутые пьезоэлементы, представляющие собой часть сферы или цилиндра (рис. 1.7). Фокусное расстояние F таких кон центраторов равно радиусу их кривизны R;

радиус а зрачка и фокусное рас стояние определяют угол раскрытия фронта:

a q m = arcsin. (1.16) F Рис. 1.7. Активный концентратор Рефракторы – линзы, преобразующие плоскую волну в сходящуюся (рис. 1.8). Линзы делают вогнутыми (ускоряющими) или выпуклыми (замед ляющими) в зависимости от соотношения скоростей звука в среде cср и в мате cср риале линзы c л, т. е. от показателя преломления n =. Для фокусировки cл ультразвука при n 1 линза должна быть вогнутой, при n 1 – выпуклой. Если среда – иммерсионная жидкость, а линза сделана из органического стекла, то n 1. Фокусное расстояние такой плосковогнутой линзы связано с ее радиусом кривизны соотношением R F=. (1.17) 1- n Рис. 1.8. Рефрактор Рефлекторы – отражатели, преобразующие плоскую волну в сходящуюся.

В дефектоскопии применяют рефлекторы в виде криволинейных зеркал в приз ме, в которых формирование сходящегося фронта осуществляется одновремен но с поворотом пучка (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Рефлектор Дефлекторы – зональные пластинки, состоящие из чередующихся акусти чески прозрачных и непрозрачных колец, внутренний ав и наружный ан радиу сы которых определяются соотношениями:

(2m + 1)F, a B = 2mF ;

a Н = (1.18) где m = 0, 1, 2...

Существенного выигрыша в амплитуде сигнала при фазовой фокусировке можно достичь, разделив пластину на кольца, соответствующие зонам Френеля (например, глубокими бороздками), и подав на электроды четных и нечетных колец электрические сигналы в противофазе. Такое включение колец показано на рис. 1.10.

Рис. 1.10. Дефлектор Мозаичные преобразователи (фазированные решетки) в известной степе ни являются аналогией радиолокационных фазированных антенных решеток.

Фазированные решетки (рис. 1.11) позволяют оптимизировать структуру аку стического поля и увеличить чувствительность преобразователя.

В фазированных решетках пьезоэлементы подключаются последовательно со сдвигом по фазе Df, за счет этого происходит задержка по времени Dt :

D. (1.19) Dt = 2f Следовательно, можно управлять углом ввода УЗ в объект контроля:

Dt f, (1.20) = arcsin d где d – период решетки.

Рис. 1.11. Фазированные решетки: а – схема расположения пьезопластин в мозаичном преобразователе;

б – схема подачи напряжения на фазированную решетку 1.5. Обозначение пьезопреобразователей В соответствии с ГОСТ 23702-79 принята буквенно-цифровая система обо значения преобразователей.

Первая буква П означает «Преобразователь». Далее следует группа цифр:

1) способ контакта (1 – контактный, 2 – иммерсионный, 3 – контактно иммерсионный);

2) направление оптической оси (1 – для прямых преобразователей, 2 – для на клонных);

3) режим работы (1 – совмещенный, 2 – раздельный, 3 – раздельно совмещенный);

4) ставится буква Ф для фокусирующих преобразователей, Н – для неплоских.

Для плоских буква не ставится;

5) после дефиса следует группа цифр, указывающая частоту преобразователя в мегагерцах;

6) для наклонных преобразователей после дефиса указывается угол призмы из органического стекла в градусах (если призма изготовлена из другого мате риала, то производится пересчет на органическое стекло).

Пример обозначения: П111-0,5.

Расшифровка: контактный прямой совмещенный плоский преобразова тель, работающий на частоте 0,5 МГц.

Пример обозначения: П121-1,25-30.

Расшифровка: контактный наклонный совмещенный плоский преобразова тель, работающий на частоте 1,25 МГц, угол призмы 30.

1.6. Передаточная функция преобразователя Пьезопластина является основным чувствительным элементом ПЭП. Она электрически соединена с генератором и приемником прибора, а механически – с другими элементами преобразователя: демпфером, протектором, призмой.

В связи с этим возникает необходимость характеризовать свойства ПЭП как целого узла с точки зрения эффективности излучения и приема акустиче ских волн. Такими характеристиками служат комплексные передаточные функ ции, определяющие связь электрических и акустических сигналов.

Передаточной функцией называют зависимость комплексного отношения сигнала на выходе преобразователя к сигналу на его входе от частоты при оп ределенной электрической и/или акустической нагрузке. Различают передаточ ные функции режимов излучения, приема и двойного преобразования. В общем случае комплексную передаточную функцию можно записать в виде K ( j) = K ( j) e - j ( j). (1.21) Модуль передаточной функции K 0 = K ( j) называется коэффициентом преоб разования.

Передаточную функцию при излучении K И определяют как отношение давления (механического напряжения, колебательной скорости) излученной волны к электрическому напряжению (току) возбуждающего генератора, а пе редаточную функцию при приеме K П – как отношение электрического напря жения на приемнике к давлению (механическому напряжению) падающей аку стической волны. Указанные функции зависят от частоты сигнала. Вместо дав ления иногда используют смещение, а вместо электрического напряжения – ток. Для совмещенных ПЭП или пары раздельных преобразователей (излучате ля и приемника), которые используют для контроля методами отражения и прохождения, вводят передаточную функцию двойного преобразования K = KИ KП.

Для решения большинства практических задач используют частные харак теристики, следующие из передаточной функции, такие как коэффициент пре образования, рабочую частоту, полосу пропускания.

Коэффициент преобразования K 0 – максимальное значение модуля пере даточной функции.

Рабочая частота f 0 – частота, соответствующая максимуму передаточной функции.

Полоса пропускания – частотный диапазон, в котором передаточная функ ция уменьшается не более чем на 6 дБ от максимума.

Определим коэффициент преобразования в режиме излучения, приема и двойного преобразования.

В режиме излучения входными параметрами являются электрическое на пряжение либо ток;

выходным – нормальное давление (либо механическое на пряжение, колебательная скорость). Эти величины можно рассматривать в точ ке рабочей поверхности преобразователя или на каком-то принятом расстоянии от нее. Введем обозначения:

U – электрическое напряжение на генераторе;

I – ток возбуждающего генератора;

P – нормальное давление на поверхности преобразователя.

На практике в режиме излучения наиболее часто используются следующие ко эффициенты преобразования:

P P K PI = K PU =,. (1.22) I U В режиме приема входными параметрами являются механическое напря жение, давление, смещение или колебательная скорость, а выходными – элек трическое напряжение, сила тока. Для характеристики режима приема исполь зуют обозначения :

U ' – электрическое напряжение на генераторе;

I ' – ток возбуждающего генератора;

P ' – нормальное давление на поверхности преобразователя.

В этом случае обычно используют следующие коэффициенты преобразования U' I' K UP = K IP =,. (1.23) P' P' Для режима двойного преобразования (излучения-приема) входными сиг I, а выходными – U ' и I '. В общем случае режим налами являются U и двойного преобразования характеризуют четыре коэффициента преобразова ния:

U U' I' I' K UU = K UI = K II = K IU =,,,. (1.24) U' I I U Коэффициент двойного преобразования можно определить через коэффициен ты преобразования в режимах излучения и приема:

P U ' K = K PU K UP =. (1.25) U P' Коэффициент двойного преобразования зависит от большого числа факто ров: характеристик материала пьезопластины, параметров внешней электриче ской цепи, геометрии преобразователя и др. Изменяя эти факторы, можно регу лировать значение коэффициента двойного преобразования и, следовательно, управлять чувствительностью. При этом следует учитывать, что в общем слу чае акустический импульс, проходя через среду, испытывает как ослабление, так и затухание, что влияет на величину коэффициента преобразования.

Задача о расчете электроакустического тракта УЗ-дефектоскопа заклю чается в определении коэффициента двойного преобразования. Эта задача ре шается с учетом эффектов ослабления и затухания ультразвука в контролируе мом изделии.

1.7. Эквивалентные схемы пьезоизлучателей и приемников В теории электроакустических преобразователей при разработке методов расчета и измерения их параметров важным моментом является установление взаимосвязи между передаточными функциями преобразователя и его сопро тивлениями.

Эквивалентные схемы применяются для расчета электроакустического тракта дефектоскопа: элементов электрической цепи и акустической нагрузки.

В этих схемах пьезопластина представляется в виде некоторой пассивной на грузки. Этот прием позволяет получить в общем виде выражение для акустиче ской волны, излучаемой в изделие.

Обычно используют формулы для ПЭП, состоящего из пьезопластины, на груженной на протяженные среды без переходных слоев (рис. 1.12). Одна из сред – демпфер, другая – изделие, иммерсионная жидкость или призма преоб разователя. Обычно между ПЭП и средой имеются промежуточные слои: про тектор или контактная жидкость. Параметры промежуточных слоев также вхо дят в расчетные формулы для ПЭП. Для согласования с генератором и усилите лем дефектоскопа необходимо знать комплексное электрическое сопротивление ПЭП. На рис. 1.12 представлена часто встречающаяся схема включения ПЭП.

U связан Генератор гармонических колебаний с напряжением с пьезопласти ной с помощью цепи, в которую входят электрические сопротивления R A и R В. Значения R A и R В подбирают из условий оптимальной связи генератора с ПЭП, т. е. достижения максимальных значений коэффициента преобразования и широкополосности. Широкополосность имеет особое значение для импульс ных дефектоскопов: позволяет обеспечить наименьшее искажение в процессе излучения и приема коротких акустических импульсов.

Рис. 1.12. Схема для расчета работы ПЭП: 0 – демпфер, 1 – пьезопластина, 2 – объект контроля (или протектор), DU – разность потенциалов между электродами пьезопластины Пластину принимают бесконечной вдоль нагружаемой поверхности, тем самым не учитывая колебания в поперечном направлении. Такое допущение справедливо для пластины с большими поперечными размерами и малой тол щиной. С двух сторон пластина нагружена на среды с комплексными акустиче скими импедансами z 0 и z 2.

На рис. 1.13 ПЭП представлен в виде эквивалентного комплексного элек трического сопротивления:

I 1 1 = П. (1.26) = + R П RC R p DU Эквивалентное сопротивление состоит из параллельно включенных емкостного сопротивления пьезопластины RС и пьезосопротивления RP. Возможна также последовательная схема включения этих двух сопротивлений. Варьированием сопротивления RB можно добиться изменения частоты генератора. При опре деленных условиях может возникнуть резонанс, что соответствует максимуму действительного сопротивления контура.

На рис. 1.13 и 1.14 представлены эквивалентные электрические схемы пье зопреобразователя соответственно в режимах излучения и приема.

Рис. 1.13. Эквивалентная схема ПЭП в режиме излучения Рис. 1.14. Эквивалентная электрическая схема ПЭП в режиме приема Расчет параметров пьезопластины в режиме приема также входит в задачу об электроакустическом тракте. Ее решают на основе теоремы взаимности:

p ставят в соответствие электрическую разность по акустическому давлению I.

тенциалов (напряжение) U, а колебательной скорости – электрический ток Следует отметить, что схемы, изображенные на рис. 1.13 и рис. 1.14, во обще говоря, не могут адекватно описывать ПЭП в широкой частотной полосе (исключение составляют, пожалуй, лишь пьезопленки), т. к. модуль импеданса таких схем является убывающей монотонной функцией частоты, в то время как для реального ПЭП модуль входного импеданса имеет выраженный максимум в окрестности резонансной частоты.

1.8. Рациональный выбор параметров преобразователя Выбор параметров преобразователя происходит на всех этапах расчета и является одним из важнейших этапов проектирования.

На этих стадиях решаются следующие задачи:

1) обеспечение максимальной чувствительности;

2) обеспечение максимальной ширины полосы частот;

3) обеспечение максимальной стабильности акустического контакта;

4) снижение шумов преобразователя (максимальное увеличение соотношения сигнал/шум);

5) обеспечение согласования импеданса преобразователя с генератором и уси лителем;

6) оптимизация акустического поля преобразователя;

7) обеспечение повышенной износостойкости поверхности пьезопластины (при помощи протекторов).

Рассмотрим эти вопросы более подробно.

Обеспечение максимальной чувствительности. Повышение чувстви тельности требуется для получения сигналов большой амплитуды. Чувстви тельность преобразователя описывает передаточная функция. При излучении она позволяет найти акустический сигнал по известному электрическому, а в режиме приема – наоборот. Далее будет использоваться функция двойного пре образования, описывающая отношение принятого и посланного электрических сигналов.

Передаточная функция, как было отмечено выше, зависит от частоты. Ко эффициент двойного преобразования достигает максимума на рабочей (опти мальной) частоте. При этом модуль функции двойного преобразования зависит от Q А и QЭЛ – соответственно от акустической и электрической добротности.

Эти величины являются характеристиками резонансных свойств колебательной системы:

Q эл = ( 0 R0 C ) -1, (1.27) где C – емкость;

0 – циклическая частота;

R0 – приведенное сопротивление:

R A RB R0 =. (1.28) R A + RB В режиме приема генератор в эквивалентной схеме отсутствует (зашунти рован). Модуль функции двойного преобразования достигает максимума при выполнении следующего условия:

Q эл = 2, (1.29) 8 Q ак где 2 – коэффициент электромеханической связи.

В этом случае максимальное значение коэффициента преобразования определя ется по формуле R0 z K max =, (1.30) 2 R A (z1 + z 0 ) где z 0 – характеристический импеданс демпфера;

z1 – импеданс пьезопластины;

z 2 – импеданс акустической нагрузки.

Таким образом, задача обеспечения максимальной чувствительности ре шается подбором импедансов контактной жидкости (призмы) и демпфера, а также изменением входного и шунтирующего сопротивления пьезоприемника.

Обеспечение максимальной ширины полосы частот. Полоса пропуска ния частот преобразователя оказывает влияние на достоверность результатов контроля. Очень короткие импульсы имеют наиболее широкий спектр частот, поэтому для приема таких импульсов без искажения необходимо иметь доста точно широкую полосу пропускания. При этом следует помнить, что расши ренная полоса частот характерна для колебательных систем с низкой добротно стью, а это ухудшает другие характеристики эхо-метода, например, чувстви тельность. Расширить полосу пропускания без снижения чувствительности можно посредством рационального выбора электрической и акустической доб ротности пьезопреобразователя. Широкополосность преобразователя позволяет добиться приема и излучения акустических импульсов без искажения их фор мы, а также улучшения параметров режима приема.

В теории колебаний полосу пропускания частот D f = ( f1 – f 2 ) определя ют на основе амплитудно-частотной характеристики (АЧХ):

K max K ( f1 ) = K ( f 2 ) =. (1.31) На практике полосу пропускания D f обычно оценивают на уровне -6 дБ от максимального значения коэффициента двойного преобразования K max, кото рый соответствует резонансной частоте.

На рис. 1.15 представлено семейство АЧХ преобразователя с кварцевой пьезопластиной при различных значениях электрической добротности QЭ.

Рис. 1.15. Семейство АЧХ преобразователей из кварца с различной добротностью QЭ :

АЧХ 1: QЭ = 10 ;

АЧХ 2: QЭ = 1 ;

АЧХ 3: QЭ = 10 -1 ;

АЧХ 4: QЭ = 10 - Видно, что с увеличением добротности QЭ улучшается помехозащищен ность, однако полоса пропускания частот сужается, что может приводить к ис кажению формы принимаемых коротких акустических импульсов. Таким обра зом, несмотря на то, что кварц характеризуется высокой акустической доброт ностью, он имеет низкие значения пьезокоэффициентов. Вследствие этого при использовании кварцевых преобразователей реализуется слабая электромеха ническая связь.

На рис. 1.16 приведена серия АЧХ для пьезопреобразователей из пьезоке рамики ЦТС. Поскольку керамические пластины характеризуются высокими значениями пьезокоэффициентов, имеет место сильная электромеханическая связь. В этом случае с увеличением значения Q Э на АЧХ появляется локаль f ный минимум на частоте и сужается полоса частот.

f Таким образом, за счет снижения чувствительности можно расширить по лосу частот (в случае кварца до 40 %). Увеличить значение K с одновременным расширением полосы частот для кварцевых преобразователей возможно по средством дополнительного введения протектора. Для пьезокерамики это сде лать сложнее из-за сильной электромеханической связи.

Рис. 1.16. Влияние пьезопластины из ЦТС (без протектора) на широкополосность:

АЧХ 1: QЭ = 1 ;

АЧХ 2: QЭ = Обеспечение стабильности акустического контакта. Условие обеспече ния стабильности акустического контакта является наиболее важным для кон троля контактным и щелевым способом прямым преобразователем. В связи с этим важно добиться малого изменения величины коэффициента прозрачности D при разной толщине контактного слоя.

Для выполнения последнего условия используют протектор, который соз дает эффект просветления, обеспечивая близость коэффициента прохождения границы к единице. Характеристический импеданс протектора должен удовле творять соотношению zпр = zпп zкж, (1.32) где zпр – импеданс протектора;

zпп – импеданс пьезопластины;

zкж – импеданс контактной жидкости.

Стабильность акустического контакта для преобразователей с акустиче ской задержкой (призма или толстый слой иммерсионной жидкости) зависит только от условий перехода акустической волны из одной среды в другую без учета пьезоэффекта, т. е. наряду с просветлением границы стабилизируется аку стический контакт.

Снижение шумов. При контроле по совмещенной схеме контактным спо собом после зондирующего импульса наблюдают многократные отражения ультразвуковых импульсов в пьезоэлементе, протекторе, демпфере, призме. Это помехи преобразователя. По мере удаления во времени от зондирующего им пульса эти помехи уменьшаются и исчезают. При контроле преобразователем с акустической задержкой (иммерсионной жидкостью, призмой) помехи, непо средственно следующие после зондирующего импульса, не мешают контролю, так как в это время ультразвуковой импульс распространяется не в ОК. Однако в этом случае выявлению дефектов вблизи поверхности мешает интенсивный импульс, отраженный от этой поверхности, и сопровождающие его многократ ные отражения в элементах преобразователя.

Соотношение сигнал – шум определяется реверберационно-шумовой ха рактеристикой (рис. 1.17). Она представляет собой зависимость амплитуды шумов от времени после окончания зондирующего импульса.

Рис. 1.17. Реверберационно-шумовая характеристика Реверберационно-шумовая характеристика определяет величину мертвой зоны преобразователя, т.е. толщину приповерхностного слоя изделия, в кото ром дефекты не выявляются эхо-методом:

(t и + t ш ) C h= cos, (1.33) где h – величина мертвой зоны;

– угол ввода;

С – скорость УЗ;

и – длитель ность импульса;

ш – длительность ревербераций.


Поскольку главным источником шумов являются многократные отражения в структурных элементах электроакустического преобразователя, то для улуч шения характеристик ПЭП необходимо обеспечить максимальное снижение шумов в протекторе и демпфере. Для этой цели используют демпфер специаль ной формы с акустическими ловушками – тупиковыми направлениями распро странения волн, изготовленный из материала с высоким коэффициентом зату хания (эпоксидные смолы с дисперсным металлическим наполнителем). Другой способ снижения шумов – повышение добротности пьезопластины.

Одно из важных требований, предъявляемых к пьезопреобразователю – со гласование его полного электрического сопротивления с генератором по мак симуму электрического напряжения на пьезопластине. Полное электрическое сопротивление пьезопластины – электрический импеданс – является комплекс ной величиной. По формуле эквивалентных проводимостей полная электриче ская проводимость пьезопластины, представленной в виде двух нагрузок (ак тивной и реактивной), определяется как:

1 1 1 gCF = + = -iC -, (1.34) 1 + igF Rпп RC R p где C – емкость;

– частота;

g – пьезокоэффициент;

F – функция, характеризующая параметры электрической цепи.

Оптимизация акустического поля преобразователя. Оптимизация аку стического поля преобразователя – одно из требований при выборе метода аку стического контроля и конкретных схем прозвучивания контролируемых изделий.

Оптимизировать параметры акустического поля можно, варьируя размеры, геометрическую форму и рабочие характеристики пьезопреобразователя (час тоту, диаграмму направленности). Один и тот же преобразователь будет иметь различную структуру поля в разных средах. Характеристикой акустического поля преобразователя является диаграмма направленности. Более подробно данный вопрос будет рассмотрен в разделе 2 настоящего пособия.

Повышение износостойкости. Повышение износостойкости наиболее ак туально для преобразователей контактного типа. Как уже было отмечено, в преобразователях наклонного типа используется призма из оргстекла. Если для осуществления контроля не требуется притирания рабочей поверхности приз мы преобразователя к объекту (например, трубы различного диаметра), то в конструкции преобразователя используется протектор, который обеспечивает устойчивость к истиранию. Материал протектора и призмы обычно выбирается в зависимости от назначения пьезопреобразователя.

1.9. Бесконтактные способы излучения и приема акустических волн Бесконтактные методы – это методы, при реализации которых отсутствует соприкосновение преобразователя с поверхностью объекта контроля через слой контактной жидкости. Необходимость использования бесконтактных методов излучения и приема ультразвука вызвана тем, что применение жидкой кон тактной среды ограничивает возможности контроля. Контактный метод невоз можен в случае автоматического контроля при больших скоростях перемеще ния контролируемых объектов. Ограничения возможностей применения кон тактных методов также возникают при контроле объектов с шероховатой или загрязненной поверхностью, а также нагретых до высокой температуры. В по добных случаях можно использовать иммерсионный метод, однако чувстви тельность метода при использовании иммерсионной жидкости уменьшается в десятки раз. Уменьшение чувствительности происходит из-за двойного прохо ждения через границу раздела жидкость-твердое тело, кроме того, при этом не обходима специальная аппаратура и обеспечение определенных условий про ведения контроля. В то же время иммерсионный метод ограниченно применим в автоматических установках акустического контроля, так как при этом возни кают сложности, связанные с созданием жидкой иммерсионной среды вокруг объекта контроля в условиях поточного производства.

Достоинства бесконтактных методов позволяют:

- обеспечить большие скорости контроля;

- обеспечить большие объемы контроля;

- реализовать контроль объектов с высокими температурами;

- контролировать шероховатые и загрязненные поверхности.

Воздушно-акустическая связь. Воздушно-акустическая связь реализуется при передаче ультразвуковых сигналов через слой воздуха. Схема контроля подобным методом приведена на рис. 1.18. Затухание ультразвуковых колеба ний в воздухе велико, а коэффициент затухания пропорционален квадрату час тоты: ~ f 2. Поэтому в таких случаях для уменьшения затухания применяют колебания низких частот f = 0,1 – 0,5 МГц.

И l h ОК l П Рис. 1.18. Схема контроля с использованием воздушно-акустической связи Коэффициент прохождения через границу воздух-сталь очень мал:

~ D = 3.8 10 -5, U ~ = KD e - 2d l, (1.35) U U здесь l – толщина воздушного слоя, – относительное ослабление сигнала U (режим приема-излучения). В формуле (1.30) не учитывается толщина контро лируемого металла, т. к. затухание в воздухе намного выше, чем затухание в материале. Амплитуда принимаемого сигнала U = M T = K N U, (1.36) где T – механические напряжения на поверхности пьезопластины;

M – коэффициент пропорциональности;

K – коэффициент двойного преобразования;

N – функция затухания.

Пример. Пусть необходимо провести контроль изделия на часто те f = 40 кГц, через слой воздуха с коэффициентом затухания = 0.03 м -1 и U ~ = K D = 2 10 - 5. Таким образом, при толщиной l = 1 см. Тогда e d » 1, -2 l U нимаемый сигнал ослаблен по амплитуде в 2105 раз. Вследствие этого воздуш но-акустическая связь обычно используется для контроля изделий с малой толщиной. Чтобы повысить коэффициент прозрачности в промежуток между объектом контроля и датчиком в некоторых случаях вводят пенопласт. Воз душно-акустическая связь применяется на низких (килогерцовых) частотах ультразвука и только для тонких слоев металла, кратных четверти длины вол ны. Указанным способом контролируют листовой прокат.

Термоакустический эффект. Для реализации термоакустического эффек та в качестве излучателей необходимо использовать специальные (не пьезо электрические) преобразователи. В этом случае источником акустических ко лебаний является нагретый локальный участок контролируемого объекта. Из-за теплового расширения при нагреве возникают упругие смещения, распростра няяющиеся в виде волн. Нагрев осуществляется бесконтактно, например, элек трической искрой или лучом импульсного лазера. Схема возникновения термо индуцированных акустических колебаний приведена на рис. 1.19.

2 dq Рис. 1.19. Термоакустический эффект: 1 – нагретая область;

2 – область механических напряжений;

3 – распространение акустической волны с плоским, а затем со сферическим фронтом;

d q – толщина прогреваемого слоя Глубина проникновения тепловой волны имеет значение 2a =. (1.37) Амплитуда возникающего термомеханического напряжения равна - E D Cl 1 + i, T= (1.38) 1 - 2 a где D – перепад температур между областями 1 и 2;

– коэффициент Пуассона;

E – модуль упругости;

– коэффициент термического расширения материала;

a – коэффициент температуропроводности;

– циклическая частота изменения температуры.

Для возникновения термоакустического эффекта точка регистрации ульт развукового сигнала должна быть удалена от нагретой области на расстояние h (h – толщина изделия).

Рассмотрим пример. Если локальный участок изделия нагревается на D = 100 K, а частота регистрируемых колебаний составляет f = 10 МГц, то величина термомеханических напряжений (амплитуда акустической волны) приблизительно равна напряжению при использовании пьезоэлектрических TПЭП преобразователей: T = TПЭП. Если же D = 10 K, f = 1 МГц, то T =. Та ким образом, более высокий перепад температур обеспечивает большую ам плитуду акустического сигнала.

Для реализации термоакустического эффекта используют следующие спо собы бесконтактного нагрева.

1. Электроискровой нагрев Осуществляется за счет электрического разряда через воздушный зазор.

Эффективность такого способа возбуждения и передачи акустических колеба ний невысока. Амплитуда механических напряжений, достигаемая электроис кровым разрядом, меньше, чем при использовании пьезоэлектрического преоб разователя в 104 раз.

2. Лазерный нагрев Амплитуда механических напряжений при лазерном нагреве превышает напряжения, достигаемые с использованием пьезоэлектрических преобразова телей в 103 – 104 раз. Коэффициент отражения лазерного излучения от поверх ности металла обычно имеет значение около R = 0.8. Основная проблема при использовании лазерного нагрева состоит в малой длительности лазерного им пульса t и ~ 1K10 нс. Вследствие этого происходит уширение спектра импульса, что предъявляет дополнительные требования к полосе пропускания усилителя.

Указанную проблему решают путем использования специальных модуляторов лазерного излучения.

3. Нагрев с помощью пучка электронов Нагрев осуществляется электронными пушками с длительностью импульса t ~ 10 нс и плотностью электронов 1013 см -2. Энергия электронов составляет 300 кэВ. Управление этим процессом осуществляется легче, чем в случае ла зерного нагрева. Главный его недостаток – сложность и большие габариты ус тановок, повышенные требования к технике безопасности. В качестве источни ков электронов используют сегнетоэлектрики, которые испускают электроны высоких энергий при нагреве.

Термоакустический эффект необратим, т. е. используется только для излу чения, поэтому бесконтактный прием акустических сигналов осуществляется на основе других принципов, например, с помощью лазерного интерферомет ра (рис. 1.20). Условие интерференции заключается в равенстве разности хода лучей в плечах интерферометра нечетному числу четвертей длин волн света. В этом случае реализуется линейная зависимость между амплитудой лазерного излучения AОПТ и акустического колебания AАКУСТ в объекте контроля AОПТ µ AАКУСТ. На рис. 1.20 используются следующие обозначения: а – аку стическое поле внутри объекта (импульсный режим). ФЭУ – фотоэлектронный умножитель. Зондирующий луч лазера падает на объект контроля, отражается от него и попадает на фотоприемник. Опорный луч через систему зеркал попа дает в эту же точку. В ФЭУ происходит интерференция эталонного луча 2 и зондирующего 1. Диапазон используемых частот фотоприемника – от 50 кГц до 10 МГц. Недостаток метода состоит в том, что при использовании в качестве приемника ФЭУ, точность метода падает, т. к. собственные шумы ФЭУ эквива лентны весьма большому смещению поверхности изделия ~ 5 10 -12 м. Чувст вительность этого метода оказывается на два порядка ниже, чем у контактного пьезоэлектрического способа.


Рис. 1.20. Прием УЗ с помощью лазерного интерферометра Эффект электрического поля В этом случае используется электростатическое взаимодействие пластины электрода с объектом контроля. Генератор переменного напряжения периоди чески заряжает пластину и создает электрическое поле в зазоре между пласти ной и ОК. При этом силы электростатического взаимодействия возбуждают продольную упругую волну в изделии. Между пластиной и объектом контроля может быть помещен слой диэлектрика. Амплитуда упругих механических на пряжений в данном случае в 103 раз меньше напряжений, возникающих при пьезоэлектрическом методе. Преимущество эффекта электрического поля со стоит в возможности бесконтактного ввода и приема акустических колебаний в широком диапазоне частот. Эффект используется для контроля проводящих из делий, зазор h нужно поддерживать минимальным, обычно он составляет деся тые доли миллиметра.

Схема излучения УЗ на основе эффекта электрического поля приведена на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Эффект электрического поля при излучении УЗ Эффекты электромагнитного поля Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:

· намагничивание;

· магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);

· магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).

На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое пре образование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 1.22, 1.23.

N S Г Fл Fл Вn Ct OK Рис. 1.22. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит;

2 – высокочастотная катушка;

3 – силовые линии магнитного поля;

Г – генератор с частотой 10 МГц;

Bn – нормальная составляющая магнитного поля;

Fл – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При из r менении направления магнитного поля, вектор силы Fл разворачивается. Ка тушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.

S S N Fл Fл Cl Fл Fл Рис. 1.23. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоро стью c t. Сила Лоренца (усредненная) равна [ ] r rr F = j Bn. (1.39) Из уравнения (1.34) видно, что смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические вол ны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направлен ность поля излучения. Можно регистрировать далекие дефекты. При этом вы сока и фронтальная разрешающая способность.

В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряжен ности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствова ло):

[ ] r rr E ' = v Bn, (1.40) r где v – колебательная скорость (меняется в данном методе по периоди ческому закону).

Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обес печивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.

Подробный анализ позволяет получить выражение для поперечной на пряженности электрического поля над объектом 2 H Bn Et =, (1.41) r ct где H – амплитуда переменного магнитного поля;

r ct – импеданс.

Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность метал ла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распростра нения волны.

Продольная составляющая электрического поля определяется выражением 2 H Bt El =, (1.42) r cl где Bt – касательная составляющая магнитной индукции, – магнитная проницаемость контролируемого материала.

Использование продольных и поперечных волн позволяет получить допол нительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о мик роструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.

Достоинства ЭМАП:

1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения кон тролируемого объекта относительно преобразователя;

2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;

3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;

4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к по верхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измере ния геометрических размеров изделий;

5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бес контактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;

Области применения ЭМАП:

1) толщинометрия;

2) дефектоскопия.

Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный кон троль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в ме таллургическом, например трубопрокатном, производстве.

Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:

1) можно контролировать только электропроводящие материалы;

2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;

3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого – пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо воз буждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент пре образования меньше в 103–104 раз;

4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объек том контроля не более 5 мм.

1.10. Контрольные вопросы 1. Что такое электроакустический преобразователь? Перечислите основные ти пы преобразователей.

2. Охарактеризуйте физику явления пьезоэлектрического эффекта. Уравнения ми какого вида он описывается?

3. По какому признаку и на какие группы делятся пьезоматериалы? Приведите примеры.

4. Какие типы преобразователей различают в зависимости от способа акустиче ского контакта с изделием? Перечислите основные различия между ними.

5. Запишите формулу для добротности ультразвукового преобразователя. По ясните все обозначения.

6. Для чего нужно обеспечить максимальную ширину полосы частот преобра зователя? Какими способами это можно осуществить?

7. Каковы достоинства и недостатки бесконтактных методов контроля? В каких случаях они применяются?

2. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ Параметры акустического поля преобразователя являются важнейшими характеристиками приборов ультразвуковой дефектоскопии. В наиболее про стых случаях для описания полей пользуются геометрической акустикой. Од нако зачастую этой теории недостаточно для описания наблюдаемых явлений.

В таком случае используют понятия и математический аппарат волновой аку стики.

Акустическим полем называют область пространства, упругие колебания в точках которого определяются их положением относительно объекта, порож дающего это поле: излучателя, отражателя, границы раздела сред и т. д. Приме нительно к преобразователю различают: поле излучения I и, поле приема I п, поле излучения-приема I ип.

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением (действующей компонентой тензора напряжений), которое создается преобра зователем и действует на элементарный приемник в произвольной точке про странства. Поле излучения преобразователя определяет амплитуду и фазу коле баний в некоторой точке пространства.

Поле приема определяет амплитуду и фазу колебаний приемного преобра зователя при действии на него точечного ненаправленного сферического излу чателя, находящегося в некоторой точке пространства.

Поле излучения-приема определяется сигналом приемного преобразовате ля, возникающим при отражении излучения этого же преобразователя от то чечного отражателя, помещенного в некоторой точке пространства и равномер но рассеивающего падающие волны по всем направлениям.

Исходя из того что пьезомодули прямого и обратного пьезоэффекта не равны между собой, естественно ожидать, что поле излучения не равно полю приема пьезоэлектрического преобразователя (2.1), но интенсивности этих по лей пропорциональны:

I ИП = I И I П µ I И.

(2.1) Параметры акустического поля зависят от следующих факторов:

- размер преобразователя;

- конструкция преобразователя;

- тип преобразователя;

- рабочая частота колебаний;

- длительность импульса;

- свойства упругой среды, в которой создается поле.

2.1. Поле преобразователя произвольной формы Будем считать длительность акустических импульсов настолько большой, что колебания во время импульса можно считать непрерывными. В то же время длительность импульса достаточно коротка для того, чтобы прием и излучение колебаний происходили в разные промежутки времени. В этом случае поле из лучения может быть представлено как результат действия множества точечных излучателей на поверхности пьезопластины произвольной формы (рис. 2.1).

На данной схеме пьезопластина прижата к горизонтальной поверхности объекта контроля. Поверхность излучающей пьезопластины представлена как совокупность точечных источников ультразвука. Поле элементарного источни ка А, имеющего сферический фронт, запишется в виде выражения P = ia 2V0 r(e i ( kx -t ) / r ), (2.2) где P – акустическое давление;

а – радиус источника (очень мал);

r – плотность среды;

r – радиус фронта.

Пусть dSA – элемент пластины (источника), тогда его можно выразить че рез площадь излучающей полусферы dSA = 2p а2. (2.3) Рис. 2.1. Схема для расчета поля излучения преобразователя произвольной формы: А – элементарный источник;

В – произвольная точка среды;

SА – площадь источника;

r A r B – ра диус-вектор;

B – угол между осью Oz’ и радиус-вектором;

r – радиус фронта;

qАВ – угол ме жду rАВ и нормалью к поверхности пьезопластины;

rАВ – расстояние от точки А преобразова теля до точки В элементарного отражателя в объекте контроля Акустическое давление в точке В:

PB = iP0 (1 / ) ( AB )(e ikrAB /rAB ) dS A, (2.4) SA где p0 – давление в точке А (на границе полусферы);

IAB – распределение поля давления;

c(qАВ) – множитель, характеризующий направленность излучения элементарного источника:

- при излучении в жидкости в отсутствие сдвига c(qАВ)=cos(qАВ);

- при излучении в твердую среду c(qАВ)»1 при qАВ60° ;

- c(qАВ)=0 при qАВ60°. В этом случае амплитуда оказывается малой;

- для прямых преобразователей считают, что c = 0.

Формула справедлива в случае rАВ l, т. е. в случае рассмотрения ультра звукового поля в дальней зоне. Уравнение не учитывает ни формы, ни длитель ности акустического импульса.

Поле приема – это зависимость амплитуды от координаты точки, в которой расположен приемник. Пусть излучение точечного источника В принимается точечным приемником А (рис. 2.1):

PA = i ( BB S B / rBА )e ikrBА, P = ( 1 / S А ) ( BА )P А dS, (2.5) А S А где P' – среднее давление e ikrBА ( BА ) PА = i ( PB S B / S А ) dS А, (2.6) rBА SА c' – характеризует чувствительность точечного приемника А, которая за висит от направления падающей волны. c' » 1 вблизи акустической оси преоб разователя. Из сравнения (2.4) и (2.5) видно, что подынтегральные выражения в уравнениях поля излучения и поля приема совпадают с точностью до множите лей c и c', следовательно, поле излучения и поле приема пропорциональны. То есть P'А~PB.

Можно обозначить поле излучения-приема в общем виде P = ( S B / S A ) P0 I 2, (2.7) где I – подынтегральное выражение для совмещенного преобразователя;

S B / S A – коэффициент пропорциональности, учитывающий отношение площади излучателя к площади преобразователя;

P0 – амплитуда давления в режиме излучения.

Если SA=SB, то можно говорить об одном поле – поле излучения-приема.

Для расчета акустического поля преобразователей различной формы (типа) необходимо прежде всего проанализировать функцию I.

2.2. Поле дискового преобразователя Рассмотрим поле преобразователя дискообразной формы. Будем рассмат ривать поле на оси преобразователя (рис. 2.2).

rAB = x 2 + r A, 2 (2.8) rAB drAB = r A dr A, (2.9) (q AB ) » 1. (2.10) Рис. 2.2. Схема для расчета поля дискового преобразователя: А – элементарный источ ник;

В – произвольная точка среды;

SА – площадь источника;

r – радиус-вектор;

А – угол между осью Oх и радиус-вектором;

а – радиус преобразователя дискообразной формы;

rАВ – расстояние от точки А преобразователя до точки В элементарного отражателя в объекте кон троля ( ) 2p a I = (1 / ) dj A (e ikrAB / rAB ) r A dr A = i e ik x2 +a - e ikx, (2.11) 0 [ )] ( I = 2 sin (k / 2) x 2 + a 2 - x. (2.12) В случае ах справедливо I = 2 sin(ka 2 / 4 x) ;

(2.13) I = max : x = a /[(2n - 1)] ;

(2.14) I = min : x = a 2 / 2 n. (2.15) Функция I испытывает осцилляции при увеличении х от 0 до хБ:

xБ = a 2 /, (2.16) где хБ – граница ближней зоны акустического преобразователя, отвечает зна чению последнего максимума функции I.

Область пространства перед преобразователем в интервале от 0 до хБ на зывается ближней зоной (зоной Френеля). Это область акустического поля, где за счет интерференции наблюдается немонотонное изменение амплитуды. Во семьдесят процентов излучаемой энергии дискообразного преобразователя ог раничено цилиндром, диаметр которого равен диаметру пьезопластины, а длина – хБ. Энергия в ближней зоне распределена очень неравномерно.

I x a2 l 0.5 q 2a Рис. 2.3. Структура поля преобразователя в зависимости от расстояния на оси: q – угол расхождения 1, 0, P/Pa 0, 0, 0, 0, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 X = ak sin q Рис. 2.4. Модуль функции Бесселя первого порядка: PA – амплитуда акустического дав ления на оси преобразователя Как показано на рис. 2.3, от 0 до хБ – волна плоская, при х хБ – волна сфе рическая. Область монотонного убывания амплитуды, где х хБ, называется дальней зоной (зоной Фраунгофера). В лучевом приближении в дальней зоне поле имеет вид расходящихся лучей из точки эффективного излучающего (акустического) центра. При неравномерной поляризации пьезопластины по ра диусу, акустический центр можно сдвинуть за пьезопластину, уменьшая таким образом угол расхождения лучей.

В ближней зоне структура поля характеризуется большой неоднородно стью, поэтому вести контроль в ней не рекомендуется. Все измерения осущест вляются в дальней зоне. Если дефект находится в ближней зоне, а контроль произвести необходимо, то нужно управлять границей ближней зоны. В прак тике ультразвукового контроля чаще всего используется импульсное излуче ние. Оно характеризуется спектром частот, имеющим счетное число гармоник.

Длительность импульса связана с шириной спектра – чем меньше длительность, тем шире спектр частот, тем сильнее сглаживаются осцилляции амплитуды по ля в ближней зоне. Можно подобрать длительность импульса таким образом, что осцилляции исчезнут и структура поля в ближней зоне будет однородной.

Но, даже в этом случае, на границе ближней зоны существует неопределен ность по амплитуде, поэтому контроль в этой области вести не рекомендуется.

2.3. Диаграмма направленности Диаграмма направленности – это зависимость амплитуды акустического поля в дальней зоне от угла между акустической осью и направлением кон кретного луча. Акустическая ось – прямая, проведенная через акустический центр в направлении максимума диаграммы направленности. За единицу мас штаба принимается амплитуда давления на акустической оси.

I = ( S A / r )Ф ;

(2.17) Ф = (2 J1 / ak sin ) ;

(2.18) sin q = ( l / a) n, (2.19) где SA – площадь преобразователя;

l – длина волны;

r – расстояние;

Ф – функция, характеризующая направленность поля излучения;

q – угол расхождения;

J1 – функция Бесселя первого порядка;

а – радиус преобразователя;

k – волновое число;

n – коэффициент, для круглого преобразователя n = 0,61.

Границей поля условно считается геометрическое место точек, где ампли туда падает в 10 раз по сравнению с ее значением на оси, т. е. на 20 дБ. Ширина диаграммы направленности в дальней зоне поля на практике характеризуется уменьшением амплитуды в 2 раза, т. е. на 6 дБ.

Модуль функции Бесселя первого порядка, определяющий вид функции направленности поля излучения, имеет вид, приведенный на рис. 6.6. Для круг лого преобразователя 85 % излучения находится в пределах основного лепестка диаграммы направленности. Характерный вид диаграммы направленности при веден на рис. 2.5. Обычно данная характеристика приводится в паспорте пре образователя.

Акустическое поле на оси круглого преобразователя может быть описано формулой I » 2 sin( pa 2 / 2lx) » 2 sin( ka 2 / 4 x ). (2.20) o 0 o 10 o 20 o o Рис. 2.5. Диаграмма направленности круглого преобразователя Рис. 2.6. Структура акустического поля дискообразного преобразователя: х/хБ – рас стояние, измеренное в единицах ближней зоны, rВ/а – расстояние от акустической оси до от ражателя в единицах а, I – интенсивность поля Акустическое поле дискообразного преобразователя показано на рис. 2.6.

Видно, что структура поля в дальней зоне (х/хБ 1) проще, чем в ближней зоне (рис. 2.7).

2.4. Поле кольцеобразного преобразователя Поле на оси кольцеобразного преобразователя описывается следующим выражением:

( ) k aH - aB, (2.21) I = 2 sin 4p где a Н – наружный радиус кольцеобразного преобразователя;

a В – внутренний радиус кольцеобразного преобразователя.

Размер ближней зоны:

X Б = S A / pl = (a H - a B ) / l. (2.22) Определим поле кольцеобразного преобразователя в дальней зоне p 2 2 J1 (kaH sin q) 2 2 J (ka sin q) p I= Ф= - aB 1 B aH. (2.23) r l r l kaH sin q kaB sin q В предельном случае бесконечно-тонкого кольца диаметром 2a :

Sa J 0 (ak sin q ), I= (2.24) r l где J 0 (ak sin q ) – функция Бесселя нулевого порядка.

Кольцеобразный излучатель имеет более узкую диаграмму направленно сти, чем дисковый излучатель. Боковые лепестки на диаграмме направленности для такого излучателя выражены больше, чем у дискового излучателя, что яв ляется причиной увеличения шумов, помех и в ряде случаев появления ложных сигналов. Поэтому на практике такие преобразователи применяются редко.

Вместе с тем подобная ситуация возникает при анализе акустического поля круглых пьезопластин переменной толщины или пьезоэлементов с неравно мерной поляризацией по радиусу. Указанные варианты пьезопластин можно представить как совокупность кольцевых преобразователей различного диа метра.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.