8.2. Ультразвукові тракти методів віддзеркалення

Методи віддзеркалення (або лунометоди) широко використовують у техніці ультразвукового контролю. Усе різноманіття акустичних трактів, властивих лунометодам, можна звести до декількох моделей для нормального і похилого введення ультразвуку.

Тракти з нормальним введенням – це тракти із застосуванням суміщеного або роздільно-суміщеного перетворювача. Кут падіння не перевищує 6°_…8°, тобто ще відчутно не виявляється явище трансформації хвиль (якщо об'єкт контролю – тверде тіло). Тракти з похилим уведенням вважаються такими у випадку якщо кут падіння перевищує 6°_…8°. Тоді у твердому тілі настає трансформація хвиль, а кут падіння визначається вибраним типом хвиль (див. розділ 3). У разі похилого введення можуть бути використані суміщені, роздільно-суміщені або роздільні перетворювачі. Уводити звук в об'єкт у разі як прямого, так і похилого введення можна через акустичну лінію затримки.

Суть розрахунку акустичного тракту зводиться до такої моделі. В результаті електричного збудження випромінювача в ньому виникає внутрішнє механічне напруження, тобто акустичний тиск у тілі перетворювача. Хвиля акустичного тиску, що виникла в перетворювачі, через межі поділу поширюється в ОК відповідно до характеристики напрямленості випромінювача. Дефект (або відбивач) в акустичному полі випромінювача стає вторинним випромінювачем зі своїм випромінюваним акустичним тиском та характеристикою напрямленості. Тепер роль приймача вже виконує первинний випромінювач. Знаходження або є основною метою розрахунку акустичного тракту.

8.2.1.Загальні моделі акустичних трактів з нормальним введенням

Остаточні розрахункові співвідношення коефіцієнта ослаблення акустичного тракту залежать від розміру дефекту і його положення в характеристиці напярмленості випромінювання. У зв'язку з цим розглянуто чотири базові моделі акустичного тракту рис. 8.2.

Припускається, що випромінювач і відбивач мають форми дисків. Кожній базовій моделі акустичного тракту відповідає своя розрахункова формула.

Рис. 8.2. Моделі розрахунку акустичного тракту в разі нормального введення:

а – ; б – ; в – ; г – .

Модель А. Відбивач правильної (круглої) форми має менший, ніж випромінювач розмір і розміщений за межами ближньої зони (рис. 8.3). Згідно з формулою (5.8) акустичний тиск на поверхні відбивача в точці

(8.2)

де – коефіцієнт проходження за тиском з п′єзоелемета в ОК, – діаграма напрямленості випромінювача _ВП.

Для виведення формули (8.2) передбачалося, що фаза і амплітуда акустичного тиску у випромінювачі в режимі випромінювання однакові в межах площі , тобто .

Оскільки відбивач має малі розміри, то в дальній зоні випромінювання тиск у точці буде майже однаковим в межах всієї площі відбивача, тобто середнім у межах :

. (8.3)

Примітка: Відбивач не виходить за межі головної пелюстки діаграми напрямленості, а хвильовий процес в області дефекту однорідний і має форму плоскої хвилі.

Рис. 8.3. Променева картина акустичного

тракту моделі з параметрами

Розглядатимемо відбивач як вторинний випромінювач. Ураховуючи мализну розмірів відбивача порівняно з , відстань можна вважати незалежною від координат в межах . Таке допущення можливе, якщо в діапазоні змін різницею ходу променя можна знехтувати порівняно з довжиною хвилі в ОК. Тоді в будь-якій точці приймача з координатами (або первинного випромінювача) у режимі приймання збуджується з урахуванням рівнянням (8.3) акустичний тиск

. (8.4)

У виразі (8.4) враховано, що , а і .

Оскільки різниці ходу (або фази) прийнятих сигналів у межах приймача можуть розрізнятися (через відмінність відстаней ), слід орієнтуватися на середнє значення прийнятого акустичного сигналу (знайдене за допомогою фізичного усереднення локального тиску в монолітному перетворювачі). Тоді середній акустичний тиск у приймачі випромінювання становитеме

.

Оскільки діаграма напрямленості випромінювача , а і змінюються в однакових межах, тиск прийнятого сигналу за модулем

.

Звідси коефіцієнт ослаблення акустичного тракту з урахуванням залежності чутливості приймача від напряму на плоскодонний відбивач дорівнює

,

де – коефіцієнт загасання в середовищі випромінювання по тиску , .

Якщо відбивач розміщено на акустичній осі, то

. (8.5)

Модель Б. Дефект (відбивач) правильної форми (дисковий) меншого, ніж випромінювач розміру міститься у межах ближньої зони, а приймач випромінювання, що був щойно випромінювачем, – у дальній зоні вторинного випромінювача. Виходимо з припущення, що форма хвильового процесу плоска і однорідна, а відбивач міститься в «трубці» випромінювання.

Оскільки дефект (відбивач) міститься в трубці випромінювання, то залежно від його розміру і розташування в інтерференційній зоні перетину трубки (рис. 5.4) середній тиск в області відбивача має діапазон

.

Це означає, що переміщення відбивача у ближній зоні вздовж акустичної осі або в поперечному перетині може зуиовити пульсуючу зміну . Проте збільшення розміру відбивача згладжує таку пульсацію через усереднення тиску в межах .

Рис. 8.4. Променева картина акустичного тракту за моделлю з параметрами

Позначимо через коефіцієнт усереднення ту частку акустичного тиску в межах площі , яку воно складає як середнє відносно максимального в цьому перетині променя, тобто

.

Тоді

. (8.6)

Оскільки приймач розміщено в дальній зоні вторинного випромінювача , то за аналогією з рівнянням (8.4), маємо

Середнє значення прийнятого сигналу становить

.

Якщо відбивач розміщено на акустичній осі, то і модуль коефіцієнта ослаблення акустичного тракту складе

.

В інженерних розрахунках можна умовно брати середнє значення коефіцієнта усереднення (трохи менше від середнього), а , тоді

. (8.7)

Модель В. Відбивачем є плоска горизонтальна поверхня, розташована в дальній зоні випромінювача, розміри якої значно перевищують розміри випромінювача, тобто повністю перекривають акустичний тракт. Цей випадок характерний для товщинометрії великої товщини, глибиномірів, тощо.

Оскільки поверхня є дзеркально відбивальною, то для розрахунків скористаємося уявним положенням приймача. В області уявного приймача, розташованого в дальній зоні випромінювача (див. рис. 8.5), розподіл прийнятого сигналу акустичного тиску становить

.

Рис. 8.5. Променева картина акустичного тракту відповідно до моделі з параметрами

Середнє значення прийнятого сигналу згідно з модулем визначають як

Очевидно, що приймач міститься в зоні головної пелюстки випромінювача. Тому можна зупинитися на значенні

, (8.8)

тобто у будь-якому випадку більше за .

Слід зазначити, що випромінювач розглядали як поршневу діафрагму і з розрахунків вилучали вплив крайових хвиль, які псують плоску картину хвильового процесу.

Таким чином, для розглянутої моделі коефіцієнт ослаблення акустичного тракту

. (8.9)

Модель Г. Відбивач являє собою плоску поверхню в ближній зоні випромінювача і повністю перекриває акустичний тракт, тобто випромінювання і приймання не виходить за межі трубки випромінювання-приймання (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Променева картина акустичного тракту відповідно до моделі з параметрами

Скориставшись уявним положенням приймача та з урахуванням того, що всі процеси випромінювання-приймання відбуваються в ближній зоні, одержимо

.

Якщо коефіцієнт , що враховує усереднення акустичного тиску в перетині трубки випромінювання, а також крайовий ефект, то

. (8.10)