Акустический тракт дефектоскопа

Основные понятия. Акустическим трактом дефектоскопа называют путь ультразвука в материале от излучателя до отражателя и от от­ражателя до приемника. Рассчитать акустический тракт—это значит представить в виде расчетных формул ослабление ампли­туды эхосигнала в зависимости от акустических свойств объекта контроля, размеров и частоты пьезоэлемента, конфигурации и размеров дефекта и расстояния до него. Приведем определения акустических полей излучения и приема преобразователя.

Акустическое поле излучения преобразователя характеризуется амплитудой звукового давления, которое воз­действует на элементарный (точечный) отражатель, размещен­ный в произвольной точке пространства перед преобразователем.

Акустическое поле приема определяется парамет­рами (амплитудой и фазой) сигнала на приемном преобразова­теле при воздействии на него акустического поля от отражателя и зависит от пространственных координат, размеров, ориента­ции и макрогеометрии поверхности отражателя (дефекта).

Поле излучения-приема в общем случае равно про­изведению полей излучения и приема и для одного и того же преобразователя и точечного отражателя пропорционально квад­рату поля излучения. При анализе акустических полей преоб­разователей в ультразвуковой дефектоскопии обычно принима­ют, что длительность импульса настолько велика, что высокочас­тотные колебания, его заполняющие, можно считать непрерыв­ными гармоническими. С другой стороны, импульсы считают на­столько короткими, что процессы излучения и приема происхо­дят в разные интервалы времени.

Поля излучения преобразователей. Рассмотрим поля излучения преобразователей основных видов. Для излучающего преобразователя с дискообразным пьезоэлементом радиусом а и площадью S_а характер из­менения амплитуды звукового давления Р_и вдоль акустической оси показан на рисунке 1. Здесь Р₀— поле на поверхности пьезо­элемента.

Рисунок 1 – Ультразвуковое поле пьезопластины

Модуль поля (без учета знака фазы) максимален при r = а /[(2n—1)l] и минимален при r = а / (2nl), где n = 1, 2, 3,... (рис. 1, а).

Возникновение экстремумов объясняется тем, что в каждую точку пространства вблизи пьезоэлемента волны, излу­ченные различными его участками, приходят в разное время и, следовательно, интерферируют (складываются) с учетом набега фаз. Поэтому в пределах этой зоны, называемой ближней или зоной Френеля, звуковое дав­ление осциллирует не только по оси, но по всему объему ци­линдра диаметром 2а и дли­ной r_б. При r = r_б = а²/l – l/ 4» a²/l интерференционные явления особенно сильны, что приводит к локализации энергии в малом объеме. Здесь амплитуда поля достигает максимума, а диаметр поля уменьшается в 2—3 раза (рис.1, б).

При r > r_б интерференционные явления по оси излучателя ос­лабевают, а при r ³ 3r_б практически отсутствуют. Эту область называют д а л ь н е й или зоной Фраунгофера. В ней пучок рас­ширяется, а звуковое давление Р_иq в пучке в направлении под углом 9 акустической оси монотонно уменьшается вдоль и по­перек акустической оси в соответствии с выражением | Р_иф / Р₀ | = [S_а / (lr)]Ф_и. В этом выражении член S_а / (lr), называемый диф­ракционным, характеризует ослабление интенсивности по оси пучка вследствие его расхождения по конусу (рис. 1, б).

Вто­рой член (Ф_и) является характеристикой направленности и оп­ределяет распределение звукового давления в поперечном сече­нии (по фронту волны) относительно давления по оси, которое принято за 1.

В случае использования пьезоэлемента в виде дис­ка

Ф_и = |2I (Х) / Х|,

где I(Х) — функция Бесселя первого рода пер­вого порядка, X = k a sinq — корень функции Бесселя.

Характеристика направленности, называемая диаграммой, со­стоит из нескольких лепестков (рис. 1, в). Ширина основного лепестка при Ф_и = 0 определяется из приведенной выше форму­лы: q_о=аrсsin (1, 2 l/ а). Чем выше частота f или больше а, тем диаграмма направленности уже. Однако повышение частоты влечет за собой увеличение затухания ультразвука в акустиче­ском тракте, а увеличение размеров пьезоэлемента приводит к ухудшению акустического контакта преобразователя с издели­ем. Поэтому при дефектоскопии металлов оптимальный диапа­зон аf составляет 15–35 мм ^. с^-1

В основном лепестке диаграммы направленности поле в каж­дой точке находится в одной фазе и в нем сосредоточено более 85 % всей энергии излучения. Поле во втором лепестке нахо­дится в противофазе по отношению к полю в первом лепестке и имеет амплитуду на 20 дБ меньше.

При уменьшении длительности импульсов фазовые соотно­шения проявляются меньше. Это приводит к ослаблению осцил­ляций, как показано на рис. 1, а (кривая 2).

На практике диаграмму направленности в пределах основ­ного лепестка описывают с помощью найденного приближенно­го выражения

Ф_и .

Поле излучения прямоугольного преобразователя имеет бо­лее острую диаграмму направленности в дальней зоне, опреде­ляемую отношением

Ф_и = | (sin X₁/X₁) ^. (sin X₂/X₂) |,

где Х₁ = ka₁ sinq₁, Х₂ = ka₂ sinq₂;

a₁ и a₂ — размеры пьезоэлемента, м;

q₁ и q₂ — соответственно углы между акустической осью и на­правлением измерения в плоскости, параллельной одной из сто­рон.

Границы ближней зоны для квадратного и дискового излуча­телей совпадают. Для прямоугольного излучателя имеет место сглаживание максимумов и минимумов в пределах ближней зоны.

Если пластина отделена от изделия акустической задержкой, например, в виде плоскопараллельного слоя жидкости, то при оценке поля излучения в изделии необходимо учитывать пре­ломление лучей.

Реальные дефекты имеют случайную и неповторяемую кон­фигурацию и отражательную способность. Отраженное от реаль­ного дефекта поле выражается в виде Р_дq ~ Р₀ S_д Ф_д / (l r^m),

где S_д и Ф_д — отражающая площадь и диаграмма направленности (индикатриса рассеяния) дефекта;

т— коэффициент, характе­ризующий закон ослабления отраженного поля от дефекта с расстоянием r.

В соответствии с изложенным выше и учитывая, что при конт­роле одним преобразователем Ф_и = Ф_п и Ф² = Ф_и^.Ф_п, поле излу­чения — приема в дальней зоне без учета затухания ультразвука может быть записано в виде (Па):

Р = S_aS_дФ²Ф_д / (l²rⁿ),

где n = m + 1 характеризует закон ослабления поля излучения — при­ема с расстоянием r (табл. 1).

Таблица 1 – Значение n для различных типов отражателей

Таблица 1 иллюстрирует возможность моделирования реаль­ных дефектов с помощью отражателей строгой геометрической формы с гладкой поверхностью. Такие отражатели легко вос­производимы, что обеспечивает стандартизацию измерений.

Формулы акустического тракта для этих отражателей получе­ны И. Н. Ермоловым (табл. 2). В этих формулах коэффициент

К = Р_о ,

где Р_о —амплитуда звукового давления на пьезоэлементе при излучении;

— коэффициент прозрачности контактного слоя по энергии;

r₀ = r_п с_{l п} cosa / (c_t соsb),

где r_п — путь ультразвука в приз­ме;

c _{l п} и c_t — соответственно скорости продольных волн ультра­звука в призме и поперечных в изделии;

a и b — соответственно углы ввода (в металле) и призме.

Таблица 2 – Поле излучения-приёма в дальней зоне для различных отражателей, расположенных на акустической оси пучка

В таблице 2 значение B = 2dr; с = 2dr + d_пr_п,

где d и d_п — коэффициенты затухания соответствен­но в изделии и призме;

r₁ и r₂ — пути ультразвука в изделии соответственно от излучателя до дефекта и от дефекта до при­емника.

Формулы подтверждены экспериментально и применяются при решении многих задач ультразвуковой дефектоскопии.

Криволинейная поверхность излучателя, например трубы ма­лого диаметра, вызывает дополнительное расширение диаграм­мы направленности и ослабление сигнала от дефекта, что учи­тывается введением в формулы акустического тракта соответст­вующих коэффициентов ослабления, установленных экспери­ментально.

При теневом методе появление дефекта определяют по про­паданию или уменьшению сквозного сигнала. Расчет акустиче­ского тракта сводится к анализу ослабления амплитуды сквоз­ного сигнала при наличии дефекта. Выявляемость дефекта при расстоянии между излучателем и приемником r = Н количест­венно оценивают отношением Р_т/Р_с, где Р_т: и Р_c — амплитуды акустических сигналов соответственно при наличии и отсутствии дефекта.

Все приведенные выше формулы получены для плоских пьезоэлементов и плоской поверхности контролируемого изделия. Изменение формы преобразователя или конфигурации границы вносит существенные поправки в эти формулы.

Дата добавления: 2015-07-11