8.4. Акустичний тракт ультразвукового трансмісійного мікроскопа

Інформативним параметром трансмісійного мікроскопа передусім є показник інтегральної прозорості акустичного тракту. Не виключено, що інформативним параметром можуть бути і час, і фазовий набіг (або фазовий зсув сигналу в акустичному тракті) і інші більш тонкі структури сигналу. Але найчастіше використовують тіньовий ефект (тіньовий метод). Акустичний тракт ультразвукового трансмісійного мікроскопа показано на рис. 8.20.

Рис. 8.20. Акустичний тракт ультразвукового трансмісійного мікроскопа

Основний інтерес під час розрахунку трансмісійного мікроскопа являє собою фокальну зону, в якій сканувальний елемент має якнайменші поперечні розміри, завдяки чому забезпечується найбільша роздільна здатність у процес розкладання. В розрахунковій моделі передбачається, що дефект міститься саме в зоні фокальної плями, а весь акустичний тракт – у ближній зоні.

Без дефекту (у прозорому тракті) прийнятий сигнал становить

.

Середній тиск у ділянці фокуса

.

Якщо прозорість дефекту перевищує нульову, тобто , за рахунок прозорості до прийнятого сигналу додасться ще додатковий тиск

.

З урахуванням останнього зауваження отримаємо

.

Коефіцієнт акустичного тракту визначається як

. )

Методику розрахунків схем акустичних трактів, побудованих на базі тіньових методів, детально викладено в п. 8.3.

Задачі

1. Визначіть коефіцієнт послаблення акустичного тракту К_а.т за луноімпульсного контролю, в який входить дисковий перетворювач із ЦТС-19 розміром 2a×d = 15×0,66 мм, дефект має діаметр d_д = 4мм, об’єкт контролю – сталь, глибина залягання дефекту h = 100 мм (в дальній зоні), c_ст = 5800 м/с, ρ_ст = 7800 кг/м, с_цтс = 3300 м/с, ρ_цтс = 7200 кг/м. Загасанням знехтувати.

Розв’язання. Скористаємось формулами (8.5) та (3.6), отримаємо

якщо і _.

мм² , мм² ,

мм .

,

.

Тоді . Дефект міститься в дальній зоні.

Таким чином,

2. Визначіть електричну напругу прийнятого перетворювачем сигналу U_п , якщо при коефіцієнті послаблення акустичного тракту К_а.т =2∙10^-3 та коефіцієнті подвійного перетворення за напругою К_UU = 0,1 електрична напруга сигналу випромінювача складає U_в=40 В.

Розв’язання. Скористаємось формулою (7.7).

, звідки В.

Відповідь : U_п =8∙10^-3 В.

3. Визначіть коефіцієнт послаблення акустичного тракту К_а.т з використанням методу проходження (тіньового методу), якщо непрозорий дефект у вигляді диска діаметром d_д =5 мм міститься в стальному ОК на осі перетворювачів із ЦТС-19 розмірами 2a×d=10×0,33мм на відстані h₁ =h₂ =60мм від кожного з них. c_ст = 5800 м/с, ρ_ст = 7800 кг/м, с_цтс = 3300 м/с, ρ_цтс = 7200 кг/м. Згасанням знехтувати.

Розв'язання. Спочатку потрібно визначити, за якою моделлю доцільно виконати розрахунок.

мм, мм,

мм, , h₁ + h₂ = h =120 мм ; , α_р=0 .

,

.

Тоді ; мм² ;

мм² .

Відповідно до визначених умов обираємо розрахункову модель А, тоді

Відповідь: близько 0,22

4. Виконайте розрахунок коефіцієнта послаблення акустичного тракту ультразвукового товщиноміра під час вимірювання товщини стального зразка розміром h = 100мм. Перетворювач розмірами Ø10х0,33мм з ЦТС-19 має безпосередній контакт з об’єктом контролю. c_ст =5800 м/с, ρ_ст =7800 кг/м, с_цтс =3300 м/с, ρ_цтс = 7200 кг/м. Загасанням знехтувати.

Розв’язання. Для визначення розрахункової моделі потрібно знати величину ближньої зони: мм; мм; h>>r_бл.

Оскільки товщина ОК виходить за межі ближньої зони, а відбивач – горизонтальна поверхня, розміри якої значно перевищують розміри випромінювача, то вибираємо розрахункову модель В, формули (8.9) та (8.8).

, ,

мм² ; S¹ >>S; α_р≈0 ;

Тоді ; ;

; .

Відповідь: .

5. Виконайте розрахунок коефіцієнта послаблення акустичного тракту ультразвукового товщиноміра під час вимірювання товщини стального зразка розміром h = 10 мм. Перетворювач розмірами 2a×d = 8×0,33 мм з ЦТС-19 має безпосередній контакт з ОК. c_ст =5800 м/с, ρ_ст =7800 кг/м, с_цтс =3300 м/с, ρ_цтс =7200 кг/м.

Згасанням знехтувати , .

Розв’язання. Визначимо розрахункову модель. Для цього потрібно знати глибину ближньої зони: мм ; мм; h>>r_бл .

Виходячи з характеристик акустичного тракту вибираємо модель Г (8.10):

,

.

Тоді .

Відповідь: . .

6. Визначіть коефіцієнт послаблення акустичного тракту К_а.т для лунометоду, в який входить дисковий перетворювач з ЦТС-19 розмірами 2a×d = 15×0,66 мм, та дефект – плоскодонний отвір діаметром d_д = 4 мм у сталевому об’єкті, розміщеному на акустичній осі перетворювача на глибині h = 20 мм. Згасанням знехтувати. (у ближній зоні); c_ст =5800 м/с, ρ_ст =7800 кг/м, с_цтс =3300 м/с, ρ_цтс =7200 кг/м.

Розв’язання. Визначимо ближню зону :

мм ;

мм; h < r_бл ; ; S¹ < S ;

мм.

Дефект – у ближній зоні. Вибираємо розрахункову модель Б (див. формулу (8.7)) і тоді отримаємо

7. Визначіть мінімальну товщину ультразвукової лінії затримки, виготовленої з плавленого кварцу (с_кв =5,95∙10³ м/с), для перетворювача, призначеного для точного вимірювання товщини стальних листових об’єктів до h = 5 мм (інтервалу між першим та другим донними імпульсами від ОК); с_ст=5,95·10³ м/с.

Розв’язання.

Відповідь : Товщина лінії затримки більша за 10 мм .

8. Визначіть коефіцієнт послаблення акустичного тракту К_а.т з використанням методу проходження (тіньового методу), якщо непрозорий дефект у вигляді диска діаметром d_д = 5 мм знаходиться в стальному об’єкті контролю на осі перетворювачів із ЦТС-19 розмірами 2а×d = 16×0,33мм на відстані h = 15 мм. Згасанням знехтувати. c_ст =5800 м/с, ρ_ст =7800 кг/м, с_цтс =3300 м/с, ρ_цтс =7200 кг/м.

Розв’язання. Визначимо характеристики акустичного тракту

мм ; мм; h<r_бл ;

,

.

Тоді ; та ;

мм² . мм²

Вибираємо розрахункову модель В (8.74):

.

Відповідь : близько 0,88.

Контрольні запитання

1. Які процеси відбуваються в акустичному тракті?

2. Який основний критерій оцінювання акустичного тракту?

3. Які функції виконуються в електроакустичному тракті та яким критерієм оцінюється цей тракт?

4. Які вимоги до електричного тракту ультразвукового пристрою та його оцінки?

5. У чому суть оптимізації акустичного тракту?

6. Від чого залежить коефіцієнт подвійного перетворення та його межі?

7. Які основні розрахункові моделі луноімпульсного методу та що є основою їх класифікації?

8. Як виконувати розрахунок акустичного тракту, якщо дефект (відбивач) міститься у проміжній зоні (між ближньою та початком дальньої)?

9. З якою метою складають еквівалентну схему акустичного тракту?

10. Як розраховувати акустичний тракт, якщо ОК має багатошарову структуру?

11. У чому полягає відмінність між відбивним та трансмісійним ультразвуковими мікроскопами?

12. Як в акустичному тракті визначають розміри відбивача, якщо використовується ефект Доплера (наприклад, для побудови витратоміра)?

13. Що може бути дефектом (відбивачем) у разі використання хвиль Релея або Лемба?

14. Які основні розрахункові моделі тіньового методу ви знаєте та що становить основу їх класифікації?

15. Як використано принцип Гюйгенса для виведення формул акустичних трактів?

16. Яка методика розрахунку акустичного тракту імерсійного тіньового методу?

17. Чому ультразвуковий мікроскоп називають растровим?

18. У деяких формулах акустичних трактів використовують середнє значення нормованої характеристики напрямленості випромінювання в межах дефекту (відбивача). Чим зумовлено таке усереднення?

418