Поле излучения наклонного ПЭП

Особенность акустического поля наклонного ПЭП состоит в том, что волны излучаются в материал призмы (акустичес­кой задержке), а затем, испытав преломление на границе, попадают в из­делие. Это изменяет акустическое поле в ближней зоне преобразователя: распределение энергии становится более равномерным, отсутствуют четко выраженные максимумы и минимумы.

Поле в дальней зоне образуют лучи (потоки энергии излучения волно­вого пучка), которые возникли уже в призме ПЭП, а затем преломились на границе призмы с изделием. В результате в плоскости падения диаграмма направленнос­ти расширяется вследствие преломления, так как угол преломления воз­растает тем быстрее, чем больше угол падения. Диаграмма направленности становится несимметричной относительно акустической оси. Амплитуда параметров поля оказывается более высокой в нижней части, где расхож­дение лучей меньше, а интенсивность – больше. Это явление выражено тем сильнее, чем больше угол призмы ПЭП.

Для расчета поля излучения наклонного ПЭП заменяют реальный излучатель мнимым (обозначен пунктиром) (рисунок 73, 74), расположенном на продолжении преломленной акустической оси О΄N с центром в точке О ₁ на расстоянии:

(36)

где r ₁ – действительный путь ультразвука в призме;

с_lп – скорость продольной волны в призме ПЭП;

с_t – скорость поперечной волны в изделии.

Размер мнимого излучателя в направлении, перпендикулярном к плоскости падения УЗК равен размеру реального излучателя, а в плоскости падения он уменьшается и имеет форму эллипса. Эллипсовидная форма мнимого излучателя приводит к тому, что углы раскрытия диаграммы направленности в плоскости падения и дополнительной плоскости не равны друг другу.

Для преобразователей с углами падения, удаленными от критических, поле в изделии с достаточной точностью представляется как поле, излученное мнимой пьезопластиной эллиптической формы с полуосями 2 а ₁ в плоскости падения (основная плоскость) и 2 а в перпендикулярной плоскости (дополнительная плоскость)

(37)

где α – угол наклона акустической оси, т.е. если действительный излучатель круглый, то мнимый имеет форму эллипса.

Рисунок 73 – Иллюстрация мнимого излучателя

В сечении плоскостью, проходящей через преломленный центральный луч и перпендикулярный плоскости падения, поле остается симметричным. Диаграмма направленности будет такой же, как если бы поперечные волны непосредственно излучались в изделие мнимым источником с центром в точке, расположенной на расстоянии r" от точки О ':

(38)

Расстояние Δ r – расстояние О ' О ₁ – от границы раздела до мнимого излучателя примерно равно среднему геометрическому определяется по формуле

(39)

Величина Δr называется приведенным путем ультразвука в призме ПЭП.

Размер ближней зоны для наклонного ПЭП с круглым пьезоэлементом, отсчиты­ваемый от центра мнимого пьезоэлемента, как области, за пределами кото­рой формируется диаграмма направленности в основной и дополнительной плоскостях, можно рассчитать по формуле (40), которая также определяет положение последнего максимума эхо-сигнала на оси ПЭП:

(40)

Тогда протяженность ближней зоны в материале изделия r _би определяется по формуле

r _би = r _б –Δ r, (41)

Глубина ближней зоны

r _{б h} = r _би cosα, (42)

В ближней зоне минимумы и максимумы практически отсутствуют.

В дальней зоне диаграмма направленности в плоскости падения тем уже, чем больше частота УЗК и диаметр излучателя, и чем меньше угол падения β. Это видно из выражения

(43)

При возрастании угла призмы β диаграмма направленности расширяется.

На рисунке 75 показаны диаграммы направленности наклонных совмещенных ПЭП с углами ввода 40⁰, 50⁰, 70⁰. С увеличением угла ввода увеличивается угол раскрытия ультразвукового пучка и, соответственно, ширина основного лепестка диаграммы направленности. Величина боковых лепестков также увеличивается с увеличением угла ввода. Из рисунка видно, что при больших углах ввода (более 70⁰) могут возбуждаться поверхностные волны.

При одинаковых размерах пьезоэлемента ширина диаграммы направленности увеличивается с повышением угла призмы и понижением рабочей частоты ПЭП (к рисунку 75).