Акустическое поле УЗ преобразователя.

(для прямого преобразователя и круглой пьезопластиной)

Акустическим полем преобразователя называют область пространства, упругие колебания в точках которого определяются их положением относительно объекта, порождающего это поле: излучателя, отражателя, границы раздела сред и т.д.

Диаграмма на­правленности (ДН) преобразователя определяет отно­сительную величину смешении в любой точке М уп­ругого полупространства, положение которой описы­вается значениями углов α, Q и радиус-вектором r точки наблюдения в дальней зоне (Рис.7.2). Акусти­ческое поле обусловлено геометрией, размерами, ра­бочей частотой преобразователя, упругими свойствами среды, в которую излучается ультразвук, и длительно­стью генерируемых импульсов.

Рис.7.2 Акустическое поле УЗ преобразователя

Обозначим относительное распределение амплитуды (колебаний) по пространственному углу .

Рис.7.3 Диаграмма направленности преобразователя

Рассмотрим звуковое поле дис­кового излучателя (Рис.7.3). Считается, что поле преобразователя состоит из ближней и дальней зон. Ближняя зона (зона Френеля), в которой волна практически не расходится, определяется длиной (Рис.7.4)

Nδ = Ø^2/4·λ = =

(7.1)

Где S – площадь пьезоэлемента

Рис.7.4 Ближняя и дальняя зоны поля преобразователя

Где О – эффективный акустический центр (точка наблюдения);

а - расстояние до эффективного акустического центра;

В ближней зоне смещения испытывают осцил­ляции, существование которых объясняется большой разницей путей от различных точек преобразователя до исследуемой точки и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов. Ближняя зона не может быть использована для измерения затухания, так как в ней наблюдаются интерференционные минимумы и максимумы, поэтому толщина исследуемых образцов должна быть больше протяженности зоны Френеля Nб.

Когда расстояние до точки наблюдения r > Nб ам­плитуда на оси преобразователя монотонно убывает с расстоянием, а поле имеет форму усеченного конуса с углом 2Q при вершине (дальняя зона преобразователя – зона Фраунгофера). Угол первого минимума диа­граммы направленности (~ 80% от всей энергии излучения – основной лепесток) преобразователя в дальней зоне Q, отсчитанный от нормали определяется:

Q1min = arcsin () = arcsin ()

(7.2)

Где N – уровень, относительно которого определяется ширина диаграммы направленности;

Если уровень: 0, то N = 1,22

0,5 (-6 дБ), то N = 0,7

Уменьшение амплитуды в дальней зоне происходит по закону:

U = U0·e^-б^r·G / r + a

(7.3)

G – размерный коэффициент;

r = 0 (на поверхности);

U = U₀ → G = a

U = (U0a / r + a) * e^-б^r

(7.4)

Чем больше диаметр d преобразователя и частота f преобразователя, чем уже основной лепесток диаграммы направленности Q/

Пример 1: Пусть имеются преобразователи разных диаметров и разной частоты.

Ø Ø Ø/2 Ø/2

f=1МГц f=2МГц f=3МГц f=4МГц

N_δ ~ ز * 1 N_δ ~ ز * 2 N_δ ~ (ز * 3) / 4 N_δ ~ (ز * 4) / 4

Q ~ 1 / Ø * 1 Q ~ 1 / Ø * 2 Q ~ 2 / 3Ø Q ~ 2 / 4Ø

1 0,5 0,66 0,5

max min min

Пример 2: Сравнить и определить ближнюю зону в стали и воде.

Ø Ø

f = 1MГц f = 2МГц

ν(вода) = 1500 м/с υ(сталь) = 6000 м/с

N_δ = (ز * 1)/4 * 1500 = ز/6000 N_δ = (ز * 2)/4 * 6000 = ز/12000

Таким образом, ближняя зона в воде в 2 раза больше, чем в стали.

Дата добавления: 2015-09-05