Поле излучения прямого круглого ПЭП

Излучаемые пьезопластиной ультразвуковые колебания в контролируемом объекте распространяются в среде в различных направлениях с различной интенсивностью. Направленность излучения ПЭП – это его способность излучать акустические волны в одних направлениях в большей степени, чем в других. Направленность ПЭП описывают характеристикой направленности – отношением интенсивности, создаваемой излучателем в направлении максимального излучения, к интенсивности ненаправленного излучателя той же мощности на том же расстоянии. Характеристику направленности представляют обычно в полярной системе координат и называют диаграммой направленности.

Колеблющийся пьезоэлемент при достаточно больших размерах его в сравнении с длиной ультразвуковой волны (D > λ), создает в окружающей среде волновое поле, имеющее определенную направленность и пространственные границы.

Рассмотрим акустическое поле, создаваемое круглым излучателем, работающим в режиме непрерывного излучения. Поле излучения ПЭП имеет форму узкого, слегка расходящегося пучка, в котором выделяются две характерные области, соответствующие ближней и дальней зоне, описываемые разными закономерностями на близком и далеком расстояниях от преобразователя (рисунок 66).

Рисунок 66 – Поле излучения прямого круглого ПЭП

В ближней зоне, зоне Френеля, т.е. в непосредственной близости от излучателя, ультразвук распространяется в виде параллельного пучка лучей без расхождения, имеющего форму цилиндра, и характеризуется сильной неравномерностью распределения амплитуды поля (интенсивности). Более 80% излученной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями пьезопластины, однако по сечению цилиндра интенсивность имеет максимумы и минимумы. Возникновение максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя объясняется интерференцией волн. Интерференция возникает, потому что пьезопластина возбуждается неравномерно – по краям амплитуда ее колебаний меньше. Если бы возбуждение ПЭП к краю удалось уменьшить, то поле в ближней зоне было бы равномернее.

Таким образом, для лучшего уяснения возникновения максимумов и минимумов амплитуды вследствие интерференции, представим пьезопластину, состоящую из большого количества маленьких излучателей. Расстояния от разных излучателей до некоторой точки В в ближней зоне могут сильно отличаться, т.е. от излучателя с центральной части пьезопластины расстояние до точки В будет короче, чем от излучателя с краевой области. Соответственно будут отличаться фазы приходящих сигналов. Если в точку В от двух одинаковых зон излучателя приходят сигналы, фазы которых противоположны (т.е. от одних излучателей поступают волны, требующие растяжения объема около точки В, а от других – его сжатия), то амплитуда в этой точке будет равна нулю.

Наиболее удаленный максимум определяет границу ближней зоны. Он расположен на оси преобразователя в точке r (рисунок 67). В этом случае сигналы от всех точек преобразователя приходят в точку r не в противоположных фазах, т.е. волны будут приходить с различным опозданием, но не будет волн, требующих сжатия объема, когда волны от центральной точки преобразователя требуют его растяжения или наоборот. Для этого разность путей от краевой и центральной точки должна быть не более, так как черезфаза растяжения сменится фазой сжатия. Т.о., образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобразователя объясняется большой разностью расстояний от различных точек преобразователя до исследуемой точки В и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов.

Рисунок 67 – Поле излучения круглого ПЭП: а) интенсивность поля вдоль оси излучателя;

б) интенсивность поперек оси

Число максимумов в ближней зоне определяется по формуле

Максимумы располагаются на расстоянии r=, где n = 0, 1, 2, …

Минимумы располагаются на расстоянии r=, где n = 1, 2, 3, …

Для излучателя с радиусом а = 6 мм, частоты f = 2,5 МГц количество максимумов равно 5, максимумы располагаются на расстоянии 1,7 мм; 2,1 мм; 3 мм; 5 мм; 15 мм;

минимумы располагаются на расстоянии 1,9 мм; 2,5 мм; 3,75 мм; 7,5 мм.

Акустическое поле в сечениях, расположенных поперек оси излучателя, имеет вид чередующихся кольцевых зон максимумов и минимумов (рисунок 67, б). С удалением от источника ширина максимумов и минимумов увеличивается, вокруг них могут появиться дополнительные максимумы.

Т.о., ближняя зона – зона немонотонного изменения акустического поля, имеющего сложную структуру с чередующимися максимумами и минимумами интенсивности вследствие интерференции волн.

Протяженность ближней зоны

(34)

где а – радиус пьезопластины, мм.

Исходя из (34) видно, что чем больше радиус пластины и частота, тем больше ближняя зона преобразователя.

Резкое изменение амплитуды эхосигнала в ближней зоне наблюдается только для небольших дефектов. Чем больше дефект, тем сильнее сглажены максимумы и минимумы эхосигналов от него. Сглаживание максимумов и минимумов происходит при импульсном излучении (чем короче при излучении импульсы, тем более сглажены максимумы и минимумы интенсивности).

Выполнять оценку дефектов, находящихся в ближней зоне трудно, можно ошибиться. Например, на расстоянии r _б /2 от преобразователя (в середине ближней зоны) поле имеет минимум на оси ПЭП, а в стороне – максимумы (рисунок 63). При поиске и оценке дефектов по максимумам эхосигналов дефектоскопист, найдя в действительности один дефект, решит, что найдено два дефекта, расположенных по сторонам от истинного положения дефекта.

Исходя из этого, выпускают ПЭП с небольшой длиной ближней зоны. Например, прямой ПЭП на частоту f = 2,5 МГц с диаметром 2а = 12 мм имеет длину ближней зоны

мм

где с = 5,9 мм/мкс – скорость продольных волн в стали.

Дальняя зона, зона Фраунгофера, – область поля, в которой амплитуда (интенсивность) монотонно убывает с расстоянием. Здесь поле приобретает форму конуса и имеет вид пучка лучей, расходящегося из точки, которая называется акустическим центром (рисунок 68). Интенсивность излучения уменьшается с увеличением расстояния r от акустического центра (для круглого излучателя акустический центр совпадает с центром тяжести пластины) за счет поглощения и рассеяния на структуре металла.

Рисунок 68 – Распределение излученной энергии вдоль оси излучателя

Уменьшению амплитуды способствует также величина угла φ _р, под которым происходит расхождение ультразвукового пучка.

Половинный угол расхождения φ _р, определяющий направленность УЗ-поля, зависит от соотношения длины волны и радиуса излучателя:

(35)

Как видно из (35), направленность УЗ-поля тем выше (угол φ _р меньше), чем больше произведение аf.

Максимум интенсивности соответствует акустической оси преобразователя.

Акустическая ось – это геометрическое место точек максимальной интенсивности поля в дальней зоне и ее геометрическое продолжение в ближней зоне.

2 Диаграмма направленности

Рисунок 69 – ДН круглого прямого ПЭП

Более полно акустические свойства ПЭП описываются с помощью диаграммы направленности, которая отображает зависимость амплитуды (интенсивности) акустического поля в какой-либо точке от угла, под которым виден из этой точки центр преобразователя. Диаграммой направленностиназывается зависимость амплитуды излучения от угла расхождения φ _р. Диаграмма направленности строится в виде графика в полярных координатах, которой описывается акустическое поле в дальней зоне (рисунок 69).

Диаграмма направленности строится в плоскости, перпендикулярной излучающей поверхности и проходящей через акустический центр преобразователя. Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда изменяется от единицы до нуля, называют основным лепестком. Границей диаграммы направленности считают точки, в которых амплитуда становится меньше ее максимального значения на 20 дБ, т.к. обычно считают, что когда амплитуда поля уменьшается в 10 раз (на 20 дБ), акустическое поле практически отсутствует. Амплитуду лепестка считают постоянной, когда она изменяется не более чем на 3 дБ. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии излучения. Вне основного лепестка могут возникать боковые лепестки. Это происходит, когда отношение >0,6 (для пьезопластины а = 6 мм отношение = 2,4/6 = 0,4<0,6; боковые лепестки не возникают). В боковых лепестках сосредоточена малая часть, около 15 %, излучаемой энергии. Боковые лепестки являются источником помех. Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.

На рисунке 70 представлены диаграммы направленности прямых круглых излучателей по совмещенной схеме включения с разными размерами пьезопластины и работающими с разными частотами (а ₁ f ₁ < а ₂ f ₁ < а ₂ f ₂). Из рисунка видно: чем больше радиус пьезопластины, тем уже диаграмма направленности. С другой стороны, при том же радиусе пьезопластины повышение частоты ультразвука ведет к такому же результату. В конечном результате, чем выше частота ультразвука и чем больше радиус пьезопластины, т.е. чем больше величина произведения аf, тем уже диаграмма направленности ультразвукового луча.

Рисунок 70 – Диаграммы направленности круглых излучателей при условии а ₁ f ₁ < а ₂ f ₁ < а ₂ f ₂.

Выводы:

1 Увеличение диаметра пьезопластины приводит, как уже отмечалось выше, к повышению абсолютной чувствительности преобразователя и сужению его диаграммы направленности. Более высокая направленность ПЭП повышает точность оценки координат дефектов и их условных размеров, улучшает фронтальную разрешающую способность и снижает уровень помех от структурных неоднородностей. Но одновременно с увеличением размеров пьезопластины возрастает протяженность ближней зоны, которая характеризуется неравномерной чувствительностью по глубине и сечению ультразвукового пучка, следовательно, пониженной вероятностью обнаружения дефектов и неоднозначностью оценки их величины. Т.о. при выборе диаметра пьезоэлемента необходимо, чтобы пьезопластина и дефект находились в дальней зоне относительно друг друга.

2 Уменьшению немонотонности изменения амплитуды в ближней зоне способствует применение импульсного излучения УЗК (рисунок 71). Из рисунка видно, что импульсы от различных частей излучателя приходят в точку наблюдения в разное время, следовательно, интерференция не возникает. Также уменьшает неравномерность распределения амплитуды в ближней зоне применение колококообразных импульсов возбуждения вместо синусоидальных, неравномерное независимое возбуждение отдельных зон пьезопластины, или же укорачивание длительности импульсов менее одного периода (рисунок 72).

Рисунок 71 – При импульсном возбуждении излучателя интерференция в точке О не возникает

Рисунок 72 – Зависимость звукового давления Р на оси волнового поля дискового излучателя от расстояния r от излучателя при равномерном (а), неравномерном (6) возбуждении отдельных участков излучающей поверхности и при излучении импульсов, длительность которых не превышает одного периода (в)

Неравномерное возбуждение дискового излучателя в реальных конст­рукциях преобразователей, связанное, например, с зажатием пьезоэлемента по окружности или с независимым возбуждением отдельных зон излуча­ющей поверхности, иная форма излучателя, специальная форма электро­дов, наносимых на поверхность излучателя – все это в значительной мере уменьшает эффект интерференции.

3 Излучатель, имеющий небольшие размеры, не обеспечивает достаточной мощности генерируемых колебаний и не дает нужной точности при определении координат дефектов из-за широкой диаграммы направленности.

4 Для каждой частоты УЗК имеется оптимальный размер излучателя. Размеры пьезопластины необходимо выбирать в области аf = 12 – 15 мм·МГЦ; при этом пьезопластина должна иметь толщину, равную половине длины ультразвуковой волны в пьезоматериале на рабочей частоте.