книги / Применения ультразвука
..pdfсреды, которых достаточно, чтобы вызвать рефракцию световых волн. Преломленные световые волны дают визуальное представ ление об ультразвуковом луче.
3.10.Заключение
Вэтой главе вкратце рассматриваются принципы, источники генерации ультразвука, различные виды преобразующих мате риалов, устройство преобразователей и т.д. Кроме того, уделено внимание различным способам создания и обнаружения уль тразвуковых волн для бесконтактного применения. Описаны важнейшие концепции, лежащие в основе выбора материалов, устройства преобразователя, типа, частоты, профиля луча, что служит большим подспорьем при выборе нужного преобразова теля. Приведена эквивалентная схема преобразователей. Также обсуждаются относительные достоинства пьезоэлектрического, ЕМАТ- и лазерного ультразвука. Таким образом, третья глава дает всеобъемлющую и подробную информацию об ультразвуковых преобразователях для различных областей применения.
Рекомендуемая литература
1.Allen D R and Martin R, Measuring Boiler Tube wall Thickness in Thermal Power Plants using Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs), Report NO.AERE-R11653, (1985).
2.Bainton K F, Killer M J and Silk M K, J Phys E; Sci Instrum, 14 (1981) 1313.
3.Callerame J, TancreU R H and Wilson D T, IEEE Cat. 79CH 1482-9SU- (London:IEEE), (1979) 407.
4.Frost H M, Electromagnetic Ultrasound Transducers: Principles, Practice, and Applications, Physical Acoustics, Vol. XIV, (1979) 179.
5.Fukuda E, Ultrasonics, 6(1968) 229.
6. Kawai H, Japan J Appl Phys, 8 (1969) 975.
7. Krautkrmar J and Krautkrmar H, Ultrasonic Testing of Material, 3rd ed., Springer Verlag, New York, (1983).Mason W P and Thurston R N, Physical Acoustics, Vol XIV, Academic Press, New York, (1979).
8. Mattiat О E, Ultrasonic Transducer Materials, Plenum Press, New York, (1971).
9.Me Collum M D, Hamonic B F and Wilson О В, Proceeding of third workshop on Transducers for Sonic and Ultrasonic, Technomic Publising Co. Inc, Corlando, Florida, May 6-8, (1992) Chapters 8 and 30.
10. Rose J L and Goldbeig В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John Wiley & Sons, New York, (1979).
11. Rose J L and Goldberg В В, Basic Physics in Diagnostic Ultrasound, John Wiely & Sons, New York, (1979). Silk M G, Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing, Adams Higler Ltd, Bristol, (1984).
12.Stefan Kocis and Zdenko Figura, Ultrasonic Measurements and Technologies, Chapman & Hall, London, (1996).
13.Tamura M, Yamabuchi T, Oyaba T and Yoshimi T, J Audio. Eng Soc, 23 (1975)21.
14.White R M, Chuang С T and Lee A C, IEEE Trans Son Ultrasonics, SU-28 (1981)8.
ГЛАВА 4
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
УЛЬТРАЗВУКА
4.1. Введение
Значительный прогресс в применении ультразвука в разно образных отраслях имел место главным образом благодаря таким факторам, как простота генерирования и обнаружения ультразвуковых волн, компактность преобразователей, их чувствительность по отношению к тестируемой среде, доста точный уровень надежности и приемлемая стоимость. В тре тьей главе мы обсуждали основные принципы, различные ви ды и совершенствование технологий преобразователей. Как было сказано в третьей главе, принцип пьезоэлектричества и пьезоэлектрические преобразователи чаще всего используются для генерации и обнаружения ультразвуковых волн. Тем не ме нее существует ряд других принципов и инструментов, пред назначенных для обнаружения ультразвука. Ультраакустика как наука не заканчивается на том, чтобы эффективно создавать и выявлять ультразвуковые волны различными способами. После обнаружения волны ее необходимо точно измерить и про анализировать, чтобы оценить ее составляющие и сопоставить измеренные параметры с параметрами среды/материапа (пос тоянные упругости, микроструктура, плотность, пористость и др.). Все методы измерения ультразвука имеют ряд общих харак теристик:
(I) Эффективное обнаружение.
(II) Анализ источника и составляющих обнаруженной волны. (III) Точное измерение основных параметров, таких как зату
хание и скорость.
Некоторые методы могут быть чрезвычайно эффективны в отношении одного из вышеперечисленных факторов. Несколько методов характеризуются высокой точностью только в одном из
12 0 Глава 4. Методы измерения ультразвука
аспектов, в то время как для остальных существуют полностью автоматизированные процедуры измерения. Таким образом, для более эффективного применения следует оценить все методы. В этой главе рассказывается об ультразвуковых детекторах и мето дах измерения.
В большинстве областей применения ультразвука первооче редным фактором является измерение скорости или времени пробега волны. Точный метод измерения скорости или времени пробега имеет огромное значение, поскольку он позволяет выяв лять количественную взаимосвязь ультразвуковых измерений и проблем. Эта глава нацелена на то, чтобы дать читателю представ ление о процедурах и относительных достоинствах/недостатках тех или иных методов.
4.2. Обнаружение ультразвуковых волн
При обнаружении ультразвуковых волн применяются принци пы, основанные на пьезоэлектрических, электрострикционных и магнитострикционных эффектах. Для обнаружения используют ся различные методы:
1 ) механический;
2 ) оптический;
3) электрический.
В следующих трех разделах обсуждаются наиболее распростра ненные методы обнаружения ультразвуковых волн. Различные экспериментальные методы, применяемые как для создания, так и для измерения распространяющегося ультразвука и его затуха ния в среде, рассматриваются позже.
4.2.1. Механический метод
В основе применяемых в данном методе детекторов ультразвуко вых волн заложен принцип использования давления излучения [1 ]. Для обнаружения волн используется пропорция между дав лением излучения и плотностью энергии. Экспериментальное устройство, применяемое в этом методе, показано на рис. 4.1. На дне сосуда с жидкостью возбуждаются ультразвуковые волны. Они проходят через жидкость вверх и блокируются пластиной. Блокирующая пластина играет роль чаши весов, создающих мик роравновесие, рис. 4.1.
Ультразвук проходит сквозьжидкую средуитолка етлевую чашу в направлении вверх, воздействуя силой, со здаваемой давлением излуче ния. Таким образом, возника ет неравновесие. Чтобы снова достичь равновесия, с пра вой чаши снимают малень кий груз. Малое изменение давления излучения вызыва
ет изменение массы порядка десятков миллиграмм. Так измеряют силу излучения в показателях разницы двух масс.
Данный опыт чаще всего проводится для измерения коэффи циента поглощения и скорости ультразвуковых волн. Благодаря техническому совершенствованию инструментария метод не сколько устарел.
4.2.2. Оптический метод
Оптический метод широко применяется для обнаружения ультра звука. Принципом, заложенным в основу данного метода [2, 3], является изменение плотности и, следовательно, показателя пре ломления среды во время прохождения ультразвуковых волн.
Экспериментальное устройство, применяемое в данном ме тоде, использующем дифракцию звука, показано на рис. 4.2. Ультразвуковые волны генерирует кристалл кварца Т, который примыкает к одной из сторон ячейки с жидкостью. Кристалл воз буждается серией последовательных электрических импульсов. В условиях резонанса кристалл генерирует ультразвуковые волны в результате продольных сжатий и растяжений. Волны проходят сквозь жидкую среду, которая находится в стеклянной трубке, и отражаются рефлектором Р. Волны, отраженные рефлектором, называются эхом. Врезультате в жидкой среде возникают стоячие продольные волны вследствие наложения прямых и отраженных волн. Эти волны вызывают появление стационарной картины уз лов и пучностей. Плотность, а значит, и показатель преломления в узлах максимальны, а в пучностях минимальны. Данное устройс тво действует как дифракционная решетка, а сам опыт называется экспериментом с дифракционной решеткой.
Щель |
Отражатель (Р) |
Фотографическая пластинка |
\ |
или щель и фотоэлемент |
|
Коллимирующая |
[;-Е |
Объектив |
линза |
камеры |
Источник
света
- Жидкость
Ультразвуковая ячейка
Кристалл кварца (Т)
Рис. 4.2. Акустическая дифракционная решетка
Коллиматор формирует свет от источника. Параллельный моно хроматический луч из коллиматора направляется на акустическую решетку и падает на нее перпендикулярно. В результате формиру ется дифракционная картина с центральным максимумом первого порядка и максимумом второго порядка с каждой из сторон от него. Такую картину можно наблюдать с помощью зрительной трубы.
Длина световой волны равна:
dsm.6 = nX, |
(4.1) |
где d —расстояние между двумя соседними узлами или пучностя ми, 0 и п —соответственно угол дифракции я-го порядка и поря док максимума.
Длина ультразвуковой стоячей волны:
А0 = 2 d. |
(4.2) |
или |
|
Следовательно, скорость ультразвуковой волны: |
|
U = 2fd. |
(4-3) |
Данный метод полезен для измерения длины волны и скоро сти распространения ультразвуковых волн в жидкостях и газах при различных температурах.
4.2.3.Электрический метод
Вэлектрическом методе длина ультразвуковой волны измеряется при помощи следующих приемов:
(I)Интерферометрия, или метод незатухающей волны.
(II) Импульсный метод.
Относительные достоинства каждого из методов рассматрива ются в следующих двух разделах.
(I) М етод незатухающей волны
Суть метода незатухающей волны (CW) [4] заключается в том, что ультразвуковые волны, генерируемые источником S, проходят сквозь среду и отражаются от пластины Р, которая находится на расстоянии X от источника, как показано на рис. 4.3. Если пере мещать отражатель Р относительно источника, то ток в электри ческой цепи источника претерпевает периодические изменения с максимумами/минимумами. Максимумы тока соответствуют по луволновым интервалам, что обусловлено образованием стоячих волн между отражающей пластиной Р и источником S.
Источник |
Отражатель |
S
X =0
р
х =
Рис. 4.3. Положение источника и рефлектора в методе интерферометра
Как правило, метод незатухающей волны применяется для из мерений скорости и поглощения в жидкостях только в килогерцовом диапазоне частот, что связано с необходимостью поправок на потери энергии. Когда толщина образца очень незначительна и потери энергии малы, метод незатухающей волны дает высокую чувствительность. Но если говорить не об этом конкретном слу чае, то метод СЖнесостоятелен по ряду причин:
(I) наличие чрезвычайно сложных видов колебаний; (II) влияние границ;
(III) рассеяние значительной доли энергии и, как следствие, нагревание образца;
(IV) недостаточная достоверность и точность.
(II) Импульсные методы
Наиболее важным аспектом в любых областях применения ультразвуковых волн является точное измерение времени про бега волны. В импульсном методе (РТ) [5] для генерирования и обнаружения ультразвуковых волн в жидкостях и твердых телах используется пьезоэлектрический преобразователь (с линией за держки или без нее). В импульсном методе, основанном на дейс твии электрического импульса малой продолжительности, волны создаются широкополосным пьезоэлектрическим преобразова телем. Преобразователь генерирует либо продольные, либо по перечные ультразвуковые волны в зависимости от характеристик пьезоэлемента. Преобразователь контактирует с материалом че рез соответствующую связующую прослойку (рис. 4.4).
Задняя поверхность
Рис. 4.4. Вид устройства в разрезе с демонстрацией основных эхо-сигналов
Продольные или поперечные ультразвуковые волны проходят через кварцевый буфер в образец. На передней поверхности образ ца часть энергии переходит в него, а остальная часть отражается обратно в пьезоэлектрический кристалл. Отраженные ультразвуко вые волны называются эхом передней поверхности (FS) и показаны на рис. 4.5. Волна, которая проходит в образец, отражается от его задней поверхности и называется эхом Вг Часть отраженной вол ны снова отражается от передней поверхности, а затем от задней. Второе отражение от задней поверхности формирует эхо ВТ Эхосигналы В, и В2показаны на рис. 4.5.
По наблюдаемой картине |
|
|||
эхо-сигналов можно изме |
|
|||
рить скорость звука и зату |
|
|||
хание. Для измерения скоро |
|
|||
сти звука нужно определить |
ш |
|||
точное |
время |
пробега от |
| |
|
передней до задней поверх- |
| |
|||
ности образца. Если измере- |
1 |
|||
ния ультразвука проводятся |
|
|||
в менее твердых материалах, |
|
|||
таких как люцит, в эхо-сиг |
|
|||
налах от задней поверхности |
|
|||
может |
иметь место пробле |
Время |
||
ма опрокидывания фазы. В |
Рю 4.5 Отслеживание основных |
|||
таких |
случаях |
при |
прохож |
эхо-сигналов во времени |
дении |
волны |
из |
плотной |
|
среды в разреженную (от преобразователя к люциту) происходит опрокидывание фазы. Это приводит к изменению внешнего вида эхо-сигналов от задней поверхности, то есть к появлению после довательности чередующихся эхо-сигналов исходной формы и их зеркальных отражений. В результате в измерения времени пробе га закрадываются ошибки. Можно избавиться от этой проблемы, если в измерениях рассматривать чередующиеся эхо-сигналы, а не сигналы одинаковой формы. Есть и другой вариант: нужно предва рительно провести опрокидывание фазы эхо-сигналов с помощью электронных средств.
Скорость ультразвуковых волн в веществе рассчитывается по
формуле: |
|
U = Y > |
<4-4) |
где d — толщина материала, / — время, за которое ультразвуковая волна проходит туда и обратно.
4.3.Методы точного измерения
Кимпульсным методам, применяемым для повышения точности измерения характеристик распространения ультразвуковых волн, относятся:
(I) циклическое возбуждение;
(И)наложение импульсов;
(III)перекрывание эхо-импульсов; (IV) взаимная корреляция;
(V)наклон фазы; (VI) прямой.
Рассмотрим вышеназванные методы, уделив внимание досто
инствам и недостаткам каждого из них.
4.3.1. Циклическое возбуждение
Блок-схема метода циклического возбуждения (SA) [6] приведе на на рис. 4.6. Этот автоматизированный способ применяется для относительных измерений скоростей ультразвука. Метод не под ходит для абсолютного измерения скоростей.
Рис. 4.6. Блок-схема метода циклического возбуждения
Электрический импульс от запускающего передатчика на правляется на передающий преобразователь, который генерирует ультразвуковые волны в образце. Передний фронт принятого из образца и усиленного сигнала используется для генерации им пульсного сигнала, который инициирует новый импульс в пере датчике. Так происходит циклически, начиная с момента возник новения импульса. Счетчик измеряет количество сигналов запуска в секунду. Очевидно, что длительность одного цикла превышает время прохождения импульса в образце. Это обусловлено элект рическими задержками, связанными с запуском передатчика, вре менем нарастания усиливающегося импульса, генерацией сигнала запуска, акустическими задержками в двух преобразователях и их контактах с образцом. Если бы все эти задержки можно было из мерить и откорректировать, абсолютная точность системы превы шала бы 1 часть на 104 или 100ррт (частей на миллион).