8.2.4.Тракти для доплерівських методів неруйнівного контролю

У трактах доплерівських методів здебільшого використовують роздільні, або роздільно-суміщені перетворювачі.

Тракти з одностороннім доступом із застосуванням роздільно-суміщеного перетворювача. Як показано в розділі 6, розрахунку акустичного тракту передує його розроблення, тобто побудова променевої картини з вибором і обґрунтуванням оптимальної траєкторії променя від випромінювача до приймача, для якої може бути визначений інформативний параметр – доплерівський зсув частоти – з максимально можливою точністю чи достовірністю. Розглянемо променеву картину простого акустичного тракту для доплерівського методу, яку зображено на рис.8.11.

Рис. 8.11. Акустичний тракт доплерівського методу з одностороннім доступом

Віддзеркалений сигнал можна одержати тільки від відбивачів, розміщених в зоні накладення діаграм напрямленості обох перетворювачів. Сигнал доплерівської частоти можна одержати тільки від відбивачів, розташованих у зоні перетину рухомих діаграм напрямленості. Назвемо цей об'єм відбивачів контрольним.

Очевидно, що ефективним розміром відбивача слід вважати площу перетину контрольного об'єму в площині, перпендикулярній до акустичної осі, з урахуванням коефіцієнта форми відбивача, тобто

,

де – коефіцієнт форми, що враховує відбивну здатність циліндрової поверхні і приблизно дорівнює , а площа перетину контрольного об'єму вздовж руху і буде площею .

Проте в контрольному об'ємі теоретично існує розподіл швидкостей по перетину. Тому, строго кажучи, для кожного шару рідини маємо відмінні доплерівський зсув і коефіцієнт ослаблення акустичного тракту. Оскільки в епюрі швидкостей спостерігається їх суттєвий розкид, то йтиметься не про одну доплерівську частоту, а про спектр частот. Тому для спрощення розрахунку ефективності акустичного тракту без урахування спектрально-фазового розподілу сигналу відбиття скористаємось формулою, наприклад, для моделі А (8.5), з якої отримаємо

,

де для показаного на рис. 8.11 випадку , , , а , тоді маємо

. (8.12)

Тракти з різностороннім доступом із застосуванням роздільних перетворювачів. У випадку застосування роздільних перетворювачів у тракті з різностороннім доступом віддзеркалення можна розглядати як дзеркальне чи як дифузне (рис. 8.12). Це два крайні випадки.

Рис. 8.12. Акустичний тракт доплерівського методу

з двостороннім доступом

Контрольний об'єм є частиною циліндра з площею торця , що відбиває дифузно. Формулу акустичного тракту за аналогією з рівнянням (8.12) можна представити як

,

де для показаного на рис. 8.12 випадку , , , а .

8.2.5.Акустичний тракт ультразвукового відбивного мікроскопа

Ультразвуковий сканувальний мікроскоп – це прилад сканувального типу. Сканувальним елементом, що виконує розкладання, тобто послідовне поелементне перетворення локального фізичного параметра об'єкта в сигнал, є сфокусований акустичний промінь Коли йдеться про акустичний тракт, то мається на увазі акустичний сигнал, що адекватно відображає розподіл коефіцієнта віддзеркалення у фокальній площині на межі поділу.

Акустичною системою відбивного ультразвукового мікроскопа можуть слугувати рефрактор, концентратор або фазована акустична система, наприклад, дефлектор. Єдиним для всіх систем є те, що фокусування звуку можливе тільки в ближній зоні (розділ 5). Ультразвуковий промінь після фокусування збирається на поверхні ОК у зоні фокальної плями і відбивається, перетворюючи ОК у вторинний випромінювач. Тепер уже первинний випромінювач стає приймачем.

Тракт фокусувальної системи типу концентратор. Тракт фокусуючої системи типу концентратор (рис.8. 13).

Рис. 8.13. Акустичний тракт ультразвукового концентратора

Середній акустичний тиск у ділянці фокальної плями (див. розд.5)

,

де .

Вважаючи площадку в розмірі фокальної плями вторинним випромінювачем, матимемо відповідно до формули (5.3.2) в кожній точці приймача, яким тепер уже є концентратор, тиск

.

Нескладно показати, що середній акустичний тиск прийнятого концентратором сигналу визначиться як

,

де – середнє значення частини діаграми напрямленості вторинного випромінювача (дефекту), яка спирається на приймальний перетворювач, тобто тієї її частини, що міститься у просторовому куті . Якщо , одержимо

. (8.13)

Якщо припустити за ефективний розмір фокальної плями кружок (5.44) , а діаметром перетворювача вважати , то після обчислень та і підставлення в рівняння (8.13) одержимо

.

Отримана спрощена розрахункова формула може вважатися коректною тільки у випадку дотримання основних критеріїв побудови концентраторів.

Тракт фокусувальної системи типу рефрактор. Розрахунок акустичного тракту рефрактора (рис.8.14) аналогічний розрахунку тракту концентратора. Тому обмежимося тільки наведенням кінцевих розрахункових формул тиску та коефіцієнта акустичного тракту рефрактора:

;

,

де ; - довжина хвилі в середовищі фокусування.

Рис. 8.14. Акустичний тракт ультразвукового рефрактора