Акустическое поле преобразователя

Акустическое поле – это зависимость упругих смещений, давления или интенсивности от положения исследуемой точки в пространстве. Различают поля излучения, приема и излучения-приема [19].

Поле излучения, созданное преобразователем-излучателем, – это совокупность значений принятого пробным точечным приемным преобразователем сигнала, в каждой точке поля. Поле приема преобразователя – это совокупность значений принятого сигнала, при помещении точечного излучателя в каждую точку поля. Величина сигнала, отраженного от дефекта и воспринятого преобразователем, определяется полем излучения-приема. Поле излучения-приема находится как произведение нормированных значений поля излучения и поля приема в каждой точке. Поля излучения и приема одного и того же пьезоэлектрического преобразователя обычно идентичны.

Акустическое поле преобразователя имеет сложную структуру. Сначала рассмотрим поле прямого преобразователя. Пусть преобразователь дисковой формы радиусом а возбуждает акустическое поле. Схематично акустическое поле представляется пучком (рис. 2.22). Линию, проходящую по центру пучка, называют акустической осью излучения. Структура поля пучка совершенно различна в двух областях, называемых ближней и дальней зонами излучения.

Рис. 2.22. Поле дискового излучателя

В ближней зоне, называемой еще зоной Френеля, пучок в поперечном сечении повторяет сечение пьезопластины. Волновой фронт в пределах пучка приближенно можно считать плоским. В ближней зоне интенсивность изменяется с сильными осцилляциями. Причина осцилляции – интерференция сигналов, приходящих в данную точку среды от разных участков преобразователя. Пути, проходимые от разных участков, различны, поэтому колебания от них приходят с разными фазами. В некоторых точках колебания ослабляют друг друга и интенсивность близка к нулю, в других точках они складываются, образуя максимумы.

Размер ближней зоны, т.е. расстояние от излучателя до последнего максимума интенсивности, вычисляется по формуле:

, (2.29)

где S_изл – площадь излучателя.

Для пьезопластины в форме диска S_изл= а² и

. (2.30)

Для излучателя в форме квадрата со стороной а размер ближней зоны определяется аналогично:

. (2.31)

Если поле создается прямоугольным преобразователем со сторонами а₁ и а₂, где а₁ – большая сторона, то при a₁/a₂>2 можно пользоваться формулой (2.27), где вместо а нужно подставить а₁. Если a₁/a₂<2, то

. (2.32)

Максимумы и минимумы в ближнем поле прямоугольного преобразователя сглажены по сравнению с круглым.

Дальняя зона излучения еще называется зоной Фраунгофера. В ней пучок
становится расходящимся, его сечение увеличивается. Осцилляции интенсивности
отсутствуют. Для любой точки в дальней зоне колебания от разных участков излучателя приходят с малым сдвигом фазы и не ослабляют друг друга. Между ближней и дальней зонами находится переходный участок, в котором сечение пучка несколько уменьшается. В дальней зоне акустическое поле имеет вид лучей, исходящих из центра. Угол расхождения пучка определяется по формуле:

. (2.33)

Коэффициент N имеет значение 0,61 для дискового излучателя и N = 0,5 – для прямоугольного. Произведение ( – резонансная частота) определяет угол расхождения пучка.

Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграммой направленности. Диаграмма направленности – это графическое изображение зависимости интенсивности излучения от угла между осью излучения и данным направлением при постоянном расстоянии от излучателя. Вид диаграммы направленности представлен на рис. 2.23 в полярных координатах. Центральную часть диаграммы, в пределах которой интенсивность изменяется от 1 до нуля, называют основным лепестком. В его пределах заключено 80…85 % энергии излучения. Кроме основного, присутствуют еще боковые лепестки диаграммы направленности.

Угол раскрытия диаграммы направленности можно определить несколькими способами. В практике УЗ контроля угол раскрытия часто измеряют по уровню 0,5 от максимума (или -6 дБ). Для измерения ширины раскрытия диаграммы направленности преобразователя можно использовать стандартный образец СО-2.