8. Розрахунки акустичних трактів

8.1.Тракти ультразвукових приладів неруйнівного контролю

За допомогою приладів ультразвукового контролю формуються та оброблюються інформаційні сигнали у трьох трактах: акустичному, електроакустичному і електричному. Електричний тракт приладів, розроблених останніми роками, був оновлений – до нього увійшов тракт цифрового оброблення інформації, її зберігання і подання. Тому методично доцільно розглядати електричний тракт як такий, що складається з електричного аналогового і електричного цифрового трактів.

Акустичний тракт – це шлях ультразвукової хвилі від випромінювального перетворювача до перетворювача-приймача. Цей тракт містить і власне перетворювачі – їх механічну складова. Акустичний тракт – це лише механічний тракт.

Аналіз акустичного тракту зводиться до складання його схеми, розрахунку звукових полів випромінювання-приймання з урахуванням характеристик акустичного тракту. Основним результатом розрахунку акустичного тракту є коефіцієнт ослаблення акустичного тракту (або просто – коефіцієнт акустичного тракту):

де і – акустичний тиск в приймальному і випромінювальному перетворювачах, що виникає в процесі випромінювання-приймання сигналів.

Коефіцієнт акустичного тракту – числова величина. Розкривається коефіцієнт акустичного тракту через формулу акустичного тракту. Формула акустичного тракту враховує променеву картину, характеристики напрямленості випромінювання-приймання і структурну схему акустичного тракту (акустичні характеристики і розміри середовищ, що перетинаються акустичним променем).

Мета оптимізації акустичного тракту – досягнення такого співвідношення між характеристиками випромінюваного сигналу (частотою, характеристикою напрямленості, тривалістю зондувального імпульсу та ін.) і характеристиками акустичного тракту (матеріалом перетворювача, загасанням звуку в ОК, характеристиками акустичного контакту, межею поділу, розміром і характером дефектів т. ін.), для яких коефіцієнт акустичного тракту сягає максимального значення без погіршення основної якості пристрою – похибки вимірювання або достовірності контролю.

Електроакустичний тракт – це частина електричної схеми, що охоплює і електричну частину перетворювача, який виконує електромеханічне пряме (або оборотне) перетворення. Електроакустичний тракт визначає здебільшого резонансну (робочу) частоту випромінювання, форму зондувального імпульсу і коефіцієнт перетворення електричної енергії в акустичну і навпаки.

Електроакустичний тракт включає п'єзоелектричний перетворювач (його електричну частину) і інші елементи конструкції перетворювача, що впливають на формування сигналу, а також підключені до перетворювача електричні кола. Таким чином, електроакустичний тракт (електричні кола, по яких проходить сигнал від генератора зондувальних імпульсів до перетворювача) перетворюється в акустичний сигнал, а під час приймання – формується електричний сигнал приймання, який подається до вхідних кіл (клем) підсилювального (електричного) тракту. Основною оцінкою електроакустичного тракту є його коефіцієнт ослаблення (коефіцієнт електроакустичного тракту):

,

де – напруга прийнятого сигналу, приведена до входу аналогового електричного тракту; - напруга зондувального сигналу.

Якщо припустити, що коефіцієнти перетворення (рис. 8.1) під час випромінювання і приймання дорівнюють відповідно

і ,

то коефіцієнт подвійного перетворення, що є добутком попередніх двох

, а .

Звідси

. (8.1)

Рис. 8.1. Схеми п'єзоелектричного перетворення

під час випромінювання (а) і приймання (б)

Коефіцієнт близький за значенням до коефіцієнта електромеханічного зв'язку і на відміну від нього, окрім оцінювання п'єзоелектричних властивостей п'єзоматеріалу, залежить ще й від форми та розмірів перетворювача, частоти перетворення, демпфування як механічного, так і електричного. Коефіцієнт подвійного перетворення чимось нагадує енергетичне оцінювання схеми генератор–мотор–генератор – її К.К.Д.

Як видно з рівняння (8.1), величина прийнятого сигналу залежить як від ослаблення акустичного тракту, так і від показника (якості) самого перетворювача. Суть оптимізації зводиться до поліпшення (збільшення) .

Коефіцієнт електроакустичного тракту, аналогічно коефіцієнту акустичного тракту, має числову оцінку і розкривається через формулу элетроакустичноого тракту.

Електричний аналоговий тракт – це здебільшого ланцюги і вузли формування електричних зондувальних сигналів і підсилювальний тракт, що включає вузли аналогового оброблення прийнятих сигналів (частотна фільтрація, часова селекція, амплітудна нелінійна ( - корекція)) і порогове оброблення, а також схеми часового регулювання чутливості (ЧРЧ) і автоматичного регулювання підсилення (АРП), а також аналогові вузли схем керування і сигналізації.

Електричний аналоговий тракт умовно закінчується вузлом (схемою) аналого-цифрового перетворення (АЦП). Характеристики АЦП мають бути узгоджені з параметрами перетворюваного відео- або радіосигналу. Оптимізація електричного аналогового тракту (з теорії оптимального приймання) являє собою не що інше, як досягнення максимального відношення сигнал/завада за умови збереження вимог до похибки вимірювання або достовірності контролю.

Тракт цифрового оброблення починається з надходження на нього «оцифрованого» прийнятого сигналу (цифрового сигналу). Можна вважати, що як методичні, так і апаратні похибки сформувалися в попередніх трьох трактах. Останній тракт – цифровий, виконує роль обробника цифрової інформації і зручного інтерфейсу. Цифровий тракт виконує службові функції, що полегшують роботу операторів, а також ті, що забезпечують обчислення, запам'ятовування, візуалізацію, програмне (гнучке) керування ультразвуковою системою (інтерактивний режим роботи системи) і т.ін.

Основним (тобто таким, що задає вимоги до інших трактів пристрою неруйнівного контролю) є акустичний тракт. Розрахунку акустичного тракту передує розробка його найбільш прийнятної схеми, зокрема променевої картини, тобто ходу променя в ОК від випромінювача до приймача з урахуванням усіх існуючих меж поділу, характеристик межових середовищ та відбивача (дефекту) і типів використаних ультразвукових хвиль.

Акустичні тракти вирізняються значною різноманітністю: схема тракту залежить від методу контролю, типу використовуваних хвиль, характеристик середовищ проходження і самого відбивача, вимог до похибки вимірювання або достовірності контролю і т. ін. У цьому розділі будуть розглянуті моделі найбільш типових акустичних трактів та методику їх розрахунку, яку можна використовувати і для розрахунку трактів будь-якої іншої конфігурації.