Поле излучения-приема прямого круглого ПЭП

Рассмотрим геометрию звукового поля прямого круглого ПЭП, расположенного на плоской поверхности твердого упругого полупространства с неограниченными размерами по осям X, Y, Z; направление распространения центрального пучка УЗК выберем совпадающим с осью Z.

Колеблющийся излучатель создает на плоской поверхности возмущение, которое передается вглубь среды, образуя звуковое поле.

Рисунок 76 – Поле излучения прямого дискового излучателя

Если пренебречь искажениями, вызванными неравномерным распределением пьезосвойств по объему излучателя из-за анизотропии материала и наличием промежуточной контактной жидкости между излучателем и средой, то получим картину звукового поля, представленную на рисунке 69. Рассматриваемая картина является идеальной и в практике ультразвукового контроля не встречается. Даже, если прозвучиваемая среда имеет размеры в направлении Z, во много раз превосходящие длину волны, то звуковое поле будет более сложным, чем изображенное на рисунке 76.

Из механики упругих тел и теории упругости известно, что нормальное приложение силы к плоской поверхности среды вызывает в ней не только деформации сжатия, распространяющиеся вглубь среды в направлении действия силы, но и деформации растяжения на поверхности, направленные перпендикулярно действующей силе. Если импульсы колебаний, передаваемые излучателем в среду, уподобить механическим ударам бойка о поверхность, то в месте удара возникает прогиб поверхности и уплотнение частиц среды. Частицы поверхностного слоя при этом переместятся в направлении удара (по оси Z), передавая энергию от одной частицы к другой, и в среде происходит движение частиц в направлении действия силы. В следующий момент (момент паузы) под действием сил упругости частицы среды возвратятся в свое первоначальное положение. В результате среда придет в колебательное движение, при котором продольные волны распространяются вглубь среды (по оси Z).

Рисунок 77 – Поле излучения-приема прямого дискового излучателя

Вместе с тем за счет сил упругости при ударе в поверхностном слое наблюдается поперечное движение частиц в направлении, перпендикулярном удару (перпендикулярно направлению распространения продольной волны). Поперечные колебания частиц среды вызывают на поверхности среды поверхностные и сдвиговые волны, распространяющиеся во все стороны от излучателя, затухающие с глубиной.

Продольные волны (рисунок 77) распространяются вглубь среды (по оси Z) сначала цилиндрическим, затем коническим пучком, образуя на противоположной поверхности фокальное пятно диаметром D ₀, большим диаметра излучателя. Вследствие расхождения пучка только центральный луч падает на противоположную поверхность под прямым углом. Остальные лучи падают на поверхность под углами, изменяющимися от 90º до 90º - φ_р. При этом в среде происходят смещения частиц (сдвиги), в результате которых в месте падения волны от поверхности отражаются не только продольные l -волны, но и возникающие, трансформированные из продольных, сдвиговые t -волны.

Отраженные от нижней поверхности волны образуют свое звуковое поле в виде расходящихся конусом лучей продольных и сдвиговых волн, распространяющихся в среде с разными скоростями в направлении к верхней поверхности. Отраженные волны распространяются от каждой точки фокального пятна D ₀ двумя расходящимися лучами с углами расхождения продольных волн от β _l = 0º до β _l = φ_р, и сдвиговых – от β _t = 0º до β _t = ω, где ω – максимальный угол отклонения отраженного луча сдвиговых волн (ω ˂ φ_р). В случае малой толщины контролируемого объекта лучи продольных и сдвиговых волн, достигнув верхней поверхности, вновь отразятся от нее с расщеплением.

Наибольшая интенсивность волн в среде наблюдается на участке падения центрального и близлежащих к нему лучей, которые распространяются в среде под малыми углами и, отражаясь, почти полностью воспринимаются излучателем. Периферийные лучи, падая на поверхность под большими углами, при отражении не попадают на излучатель и, многократно отражаясь с расщеплением от противоположных поверхностей, распространяются вдоль слоя в разные стороны от излучателя.

5 Поле излучения дискового излучателя, расположен­ного под углом к

плоской поверхности облучаемой твер­дой среды II.

Ось излучателя образует с осью Z угол β. Область пространства между поверхностями излучателя и среды заполнена жидкой или твердой средой I, при этом Z ₁< Z ₂. Размеры сред I и II по осям X и Y без­граничны.

Условимся считать угол, образованный центральным лучом пучка УЗК и нормалью к поверхности в точке падения центрального луча, углом β падения пучка про­дольных волн на плоскость. Проведем к границе раздела нормальную плоскость через центр излучателя так, что­бы центральный луч лежал в этой плоскости. При пер­пендикулярном падении пучка лучей (β = 0) ультразву­ковая энергия концентрируется на участке поверхности F₀, равном площади излучателя (рисунок 1). При этом, как известно, в среду II входит до 25 % излучае­мой энергии, которая расходуется в основном на фор­мирование в ней продольных волн, распространяющихся сначала параллельным, а затем конусным пучком лучей с углом расхождения 2φ_р. Любое сечение пучка плоско­стью, перпендикулярной центральному лучу, является окружностью.

При наклоне излучателя (β>0) ультразвуковая энер­гия вводится в среду II на участке поверхности, равном площади проекции излучателя на поверхность раздела. Эта площадь F ₁ больше площади F ₀ ввода при β=0 и с увеличением угла β увеличивается. Лучи УЗК на гра­нице сред трансформируются, в результате чего в среде II возникают 2 пучка: продольных и сдвиговых волн, распространяющихся под углами α _l и α _t соответственно. При малых углах пучок сдвиговых волн как бы зарож­дается в пучке продольных. Так, например, при β = 5º почти весь пучок сдвиговых волн находится в пучке про­дольных (рисунок 2). Интенсивность сдвиговых волн в этот момент мала, так как падающая волна вызывает незначительные сдвиги в среде II; поэтому большая часть прошедшей энергии приходится на продольную волну.

С увеличением угла β происходит перераспреде­ление введенной энергии: интенсивность сдвиговых волн увеличивается, а продольных уменьшается. При β≈24° введенная энергия распределяется между продольными и сдвиговыми волнами приблизительно поровну. При увеличении угла до β_кр1 большая часть энергии преобра­зуется в сдвиговые, а меньшая — в продольные волны.

Следует отметить, что плотность звуковой энергии при падении УЗК под углом на поверхность раздела двух сред будет меньше, чем при нормальном падении пучка (β=0). Это объясняется увеличением площади, через которую УЗК вводят в среду II, потерями на зату­хание в первой среде, расщеплением пучка УЗК на гра­нице с образованием двух пучков, суммарная площадь облучения которых больше первоначальной (рисунок 2,3,4 ).

С увеличением угла β пучки постепенно расходятся, однако почти до β=20° (рисунок 4) они существуют совместно, создавая в среде (вблизи поверхности ввода) неоднород­ное звуковое поле с зонами совместного распространения продольных и сдвиговых волн и зонами, в которых рас­пространяются чисто продольные и чисто сдвиговые УЗК. Кроме того, с ростом угла β возрастают углы α _l и α_t, благодаря чему преломленные волны облучают ниж­ний правый сектор, перемещаясь от оси Z к оси X, при­чем пучок продольных волн пробегает этот путь быстрее пучка сдвиговых.

Итак, в среде образуются два пучка УЗК, которые различаются направлением колеблющихся частиц, ско­ростями распространения, протяженностью ближней зоны, углами расхождения и энергией при различных углах падения.

Рассматривая геометрию звукового поля в среде II, можно заметить, что пучки преломленных волн при уве­личении углов деформируются (сжимаются). Деформа­ция пучка продольных УЗК начинается примерно с β≈15°, когда пучок из круглого конуса превращается в эллипсовидный конус рисунок 4,5), и продолжается до β_кр1, когда пу­чок становится почти плоским и распространяется вдоль границы в поверхностном слое среды II в виде неоднородной подповерхностной волны (рисунок 6). Деформация пучка обусловлена геометрией излучателя и звукового поля при переходе лучей из од­ной среды в другую под различными углами.

Деформа­ция пучка сдвиговых УЗК начинается примерно с β_кр1 и продолжается до β_кр2, когда сжатый плоский пучок сдвиговых волн распространяется в поверхностном слое среды II также в виде неоднородной подповерхностной волны (рисунок 7,8,9).

Несмотря на то, что доля звуковой энергии, приходя­щейся на продольную и сдвиговую волны к моменту вы­хода их на поверхность, существенно снижается, интен­сивность волн остается высокой, так как благодаря сжатию пучков вся энергия локализуется в тонком по­верхностном слое и облучаемая ими площадь существен­но уменьшается.

Если среда II ограничена плоскостью, параллельной границе раздела сред, то продольные и сдвиговые волны, достигнув противоположной поверхности, отразятся от нее под теми же углами, вновь расщепляясь на проддольные и сдвиговые и т. д. На рисунке 10 показано отражение волн от противоположных поверхностей среды (для упрощения показаны не расходящиеся, а парал­лельные пучки лучей). В плоскости рассматриваемого сечения в направлении излучения распространяются продольные и сдвиговые волны, попеременно отражаясь от граничных поверхностей. Вследствие косого падения лучей УЗК в граничных поверхностях среды II возника­ют также и поверхностные волны небольшой мощности.

Рисунок 10 – Схема звукового поля, создаваемого пьезоэлементом, расположенным под углом к плоской

поверхности среды, ограниченной в направлении оси Z

При β_кр1 продольные волны «выйдут» на поверхность среды II и «приплюсуются» к ранее возникшим поверх­ностным волнам. В среде при этом распространяются сдвиговые волны, попеременно отражаясь от граничных поверхностей.

При β_кр2 в среде, в направлении излуче­ния, распространяются преимущественно неоднородные подповерхностные волны. Глубинные волны в толще слоя отсутствуют. Следует отметить, что такая картина наблюдается толь­ко в рассматриваемой плоскости при условии, что среда II безгранична в направлениях XY, а падающий пучок лучей – параллелен. При контроле конкретных изделий таких условий практически не существует. Поэтому при возбуждении УЗК в деталях ограниченных размеров на границах тела за счет отражения и трансформации волн возникает сложное волновое движение, представляющее собой различные комбинации продольных, сдвиговых и других видов волн.