18. Акустическое поле дискового преобразователя.

Для любого вида преобразователей его акустическое поле излучения определяется давлением или компонентами тензора напряжения, создаваемых преобразователем и действующих на точечный приемник в произвольной точке пространства перед преобразователем. По аналогии, поле приема определяется сигналом приемного преобразователя при действии на него точечного излучателя, помещенного в некоторой точке пространства. Поле излучения - приема характеризуется средним значением амплитуды акустического сигнала на приемном преобразователе, возникающего в результате отражения излучения того же преобразователя от точечного рефлектора, помещенного в некоторой точке пространства и рассеивающего падающие волны равномерно по всем направлениям. Поскольку поле приема пропорционально полю излучения, поле излучения - приема пропорционально квадрату поля излучения.

Акустической осью нормального преобразователя называют перпендикуляр к его излучающей (принимающей) поверхности, восстановленный в геометрическом центре тяжести площади пьезопластины. На достаточно большом расстоянии от преобразователя при равномерном синфазном излучении звука всеми точками его поверхности акустическая ось совпадает с направлением максимума поля излучения, называемого центральным лучом.

Поскольку в практике акустического контроля наибольшее применение нашли дисковые пьезопреобразователи, рассмотрим его поле излучения более подробно.

Поле на акустической оси преобразователя при непрерывном излучении звука определяется зависимостью

(2.13)

где P и P₀ - амплитуды акустического сигнала на поверхности cреды, соприкасающейся с преобразователем и на расстоянии r по оси преобразователя; а - радиус пьезопластины.

Приведенная функция имеет максимумы при

и минимумы при

(n=1, 2, 3, ...).

Графически это можно представить следующим образом (рисунок 2.6). Видно, что функция испытывает осциляции с увеличением расстояния r. Последнего максимума функция достигает при

(2.14)

Затем монотонно уменьшается по закону ~S_a/lr. Область, прилегающая к поверхности преобразователя (r<r_б), в которой акустическое поле изменяется немонотонно при изменении расстояния от преобразователя вдоль оси называется ближней зоной или зоной Френеля. В случае излучения коротких импульсов, имеющих колоколообразную форму, максимумы и минимумы заметно сглаживаются (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 – Акустическое поле на оси дискообразного преобразователя.

Образование максимумов и минимумов в ближней зоне объясняется разницей путей от различных точек преобразователя до исследуемой точки и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов

В ближней зоне наблюдаются осцилляции и при смещении точки С в сторону от оси. Например, в точке r=r_б/2 на оси преобразователя имеется минимум, а на некотором расстоянии от нее - максимум.

Рисунок 2.7 – Схематическое изображение акустического поля.

Схематически поле дискового преобразователя можно изобразить в виде (рисунок 2.7). В ближней зоне около 80% полученной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями преобразователя, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно.

Дальней зоной преобразователя называют область, в которой акустическое поле монотонно уменьшается с увеличением расстояния от преобразователя до точки вдоль акустической оси. В дальней зоне поле будет иметь вид лучей, выходящих из центра пластины. Обычно поле изображают в виде диаграммы направленности, характеризующей изменение поля в зависимости от угла между направлением луча и акустической осью. За единицу принимают амплитуду на акустической оси. Часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда уменьшается до нуля от единицы, называют основным лепестком. Диаграмма направленности в дальней зоне определяется выражением

(2.15)

где J₁ - функция Бесселя первого порядка; q - угол между направлением луча и акустической осью. Раскрытие основного лепестка определяется выражением

(2.16)

Обычно за нижнее значение амплитуды основного лепестка принимают величину 0,1. Раскрытие лепестка на этом уровне

(2.17)

В пределах основного лепестка диаграммы сосредоточено около 85% энергии поля. Вне основного лепестка диаграмма имеет вид боковых лепестков, уровень которых определяется отношением поля на акустической оси к максимальной величине поля вне основного лепестка. В случае излучения коротких импульсов минимумы поля между лепестками сглаживаются.