45. Методы распознавания типа дефектов (по параметрам трансформированных и дифрагированных волн).
46. Методы визуализации акустических полей: особенности, разрешение, аппаратура.
Данные методы позволяют получить видимые картины распределения величин, характеризующих звуковое поле.
Существует два способа формирования звуковых изображений. Один из них заключается в использовании материалов, оптические свойства которых изменяются пропорционально интенсивности падающей звуковой волны, а другой состоит в преобразовании акустического сигнала в электрический сигнал, с помощью которого осуществляется визуализация звукового изображения. Преобразователи, реализующие первый способ, называются акустооптическими преобразователями и представляют собой пространственные детекторы. Другими словами они позволяют непосредственно воспроизводить двумерное оптическое звуковое изображение, и в этом их преимущество перед преобразователями второго типа. Последние не являются пространственными детекторами, и в этом случае пространственная картина может быть получена либо путем сканирования, либо с помощью матриц детекторов. Большинство современных систем звуковидения основано на приемниках второго типа, т.к. акустооптические преобразователи или менее чувствительны, или не позволяют реализовать высокое отношение сигнал/шум.
Схема дефектоскопа с визуализатором:
В рассмотренных ранее методах контроля оценка качества материалов и изделий производится через косвенные информативные параметры. При этом достоверность контроля не всегда оказывается достаточной. Особенно это относится к оценке формы и размеров дефектов. В связи с этим на протяжении всей истории развития акустических методов проводились поиск и исследование способов прямого визуального наблюдения звуковых полей.
Рисунок 4 – Схема дефектоскопа с визуализацией дефекта
Рассмотрим общую схему дефектоскопа с визуальным изображением дефекта (рисунок 4). УЗ-волны от излучателя 1, который обычно делают достаточно большим, направляются к изделию 2 и проходят через него. Аналогично тому, как мы рассматривали в теневом методе контроля, наличие дефекта 3 в изделии нарушает однородность поля и создает позади себя звуковую тень. Далее для повышения контрастности изображения на пути лучей ставится ультразвуковая линза 4, в фокальной плоскости которой образуется акустический рельеф, т.е распределение интенсивности или амплитуды колебаний в плоскости поперечного сечения пучка ультразвука. Здесь устанавливают преообразователь - визуализатор 5, который позволяет преобразовать звуковой рельеф в видимое изображение.
Разрешающая способность рассмотренной установки, по аналогии с оптическими системами, определяется минимальным расстоянием между двумя линиями, при котором эти линии фиксируются раздельно. Для реальной установки при контроле металлического изделия была получена формула, определяющая разрешающую способность
(3)
где т - длина волны в изделии; z - расстояние от объекта до преобразователя; n - показатель преломления n=т/ - длина волны в жидкости. Если подставить в это выражение реальные цифры, например, при прозвучивании стального изделия на частоте 10МГц в водяной ванне т=0,58 10-3 м, n=3,9 и z=0,03 м, получим r=(6,7... 9,5) 10-3 м. Отсюда видно, что разрешающая способность установки на несколько порядков хуже, чем оптических, из-за большой длины волны.
Методы получения звуковых изображений:
Рассмотрим некоторые методы получения звуковых изображений, получивших практическое применение.
Метод поверхностного рельефа. Основан на том, что поверхность жидкости деформируется в соответствии в распределением интенсивности действующего на нее акустического излучения (радиационного давления), и эта деформация может быть визуализирована с помощью света, отраженного от поверхности. Участок с рельефом на поверхности освещается под углом параллельным пучком света. Отраженный пучок света проходит через объектив и диафрагму и попадает на экран, где формируется изображение, соответствующее рельефу поверхности жидкости. Метод был предложен С.Я.Соколовым. Серийно выпускаемые установки, основанные на методе поверхностного рельефа, обеспечивают разрешающую способность (1,0..2,0)10-3 м и чувствительность 103 Вт/м2. Основным недостатком подобных установок является высокая подверженность влиянию внешних возмущений (вибраций, воздушных потоков и т.п.).
Метод ориентации частиц. Давление акустического излучения пропорционально интенсивности звуковой волны, действующей на некоторое препятствие. Если таким препятствием является диск, свободно подвешенный в жидкости, то он поворачивается таким образом, чтобы его поверхность была перпендикулярна направлению распространению волны. Если в жидкость поместить легкие частицы, то в отсутствие акустического поля они будут совершать беспорядочное броуновское движение. При освещении жидкости светом наблюдается серая поверхность вследствие равномерно отраженного света. На этом эффекте основана так называемая ячейка Польмана - пространственный приемник акустического изображения. Такой приемник (рисунок 5) имеет форму тонкой кассеты, которая заполняется жидкостью, например ксилолом, со взвесью мельчайших частичек алюминия. Одна сторона кассеты прозрачная для оптического излучения, другая для звукового излучения. В отсутствие звукового поля беспорядочно ориентированные частицы диффузно отражают световой пучок, и наблюдатель видит матовую однородную поверхность. При проецировании на ячейку ультразвукового изображения частицы алюминия ориентируются определенным образом в соответствии с распределением интенсивности звукового поля. Очевидно, в этом случае наблюдатель увидит на поверхности ячейки распределение интенсивности света, которое является точной оптической копией звукового изображения.
Рисунок 5 – Схема ячейки Польмана
Чувствительность метода зависит от времени экспозиции и составляет примерно 0,003..0,5 Вт/м2. Разрешающая способность определяется размерами частиц и примерно равна длине волны в жидкости.
К недостаткам следует отнести оседание частиц под действием силы тяжести и ограниченный динамический диапазон.
Метод, основанный на использовании жидких кристаллов нематического типа. Подобные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Любая деформация, наложенная на однородно ориентированный слой жидкого кристалла, приводит к локальному изменению двойного лучепреломления и вращению плоскости поляризации света. Поэтому слой жидкого кристалла может служить индикатором звукового изображения. Чувствительность жидкокристаллических акусто-оптических преобразователей в ультразвуковом диапазоне составляет 102..10 Вт/м2.
Фотодиффузионный метод. В начале 50-х годов было установлено, что предварительно засвеченные белым светом фотопленки становятся чувствительными к ультразвуковому излучению. Помещая такие пластины в проявитель и воздействуя на них ультразвуковым полем, можно получить черно-белое изображение. При этом чем выше интенсивность ультразвука, тем сильнее почернение пластины. В зависимости от направления ультразвукового пучка относительно слоя эмульсии фотоматериала можно наблюдать продольное или поперечное сечение поля.
Метод пьезорельефа. В данном методе акустический рельеф преобразуется в электрический на поверхности пьезопластины, а затем посредством электронно-акустического преобразователя электрический рельеф переносится на экран электронно-лучевой трубки.
Рисунок 6 – Схема электронно-акустического преобразователя
Преобразователь функционирует следующим образом. Электронный луч 4 (рисунок 6) построчно сканирует внутреннюю поверхность пьезопластины 1, впаянной в дно ЭЛТ 2, и выбивает вторичные электроны. При этом количество вторичных электронов определяется величиной отрицательного заряда данного участка пластины, который зависит от давления падающего на этот участок звукового поля. Вторичные электроны собираются коллектором 3, сигнал от которого усиливается усилителем 5 и управляет яркостью свечения ЭЛТ 6. Развертка двух электронно-лучевых трубок синхронизируется системой 7. Данный преобразователь имеет высокую чувствительность - 3 10-5Вт/м2 и разрешающую способность 0,110-3м и обеспечивает линейную воспроизводимость амплитуды сигнала в широком диапазоне давлений.
Акустическая голография:
Акустическая голография - это интерференционный способ получения изображения предметов с помощью акустических волн. Она не требует применения специальных устройств для фокусировки звука.
Основной принцип получения изображений аналогичен оптической голографии: вначале регистрируется картина, полученная в результате интерференции двух звуковых волн - рассеянной предметом и опорной, а затем по полученной записи - голограмме - восстанавливается либо исходное изображение предмета, либо структура рассеянного предметом поля. Восстановление исходного поля по голограмме обычно производится с помощью когерентного света. Но чтобы оптически восстановить голограмму, ее надо сделать видимой. Для этой цели применяются различные способы визуализации звуковых полей. Оптическое изображение голограмм может быть зафиксировано на фотопленке и затем восстановлено в когерентном свете.
Рассмотрим один из методов получения и восстановления акустических голограмм.
Рисунок 7 – Схема получения голограммы
В случае, когда не требуется быстродействие, сканировать звуковое поле можно одним приемником в заданной плоскости (рис.6.4). С приемника звука 5 сигнал после обработки поступает на модулятор яркости луча электроннолучевой трубки 7. Пятно луча перемещается по экрану синхронно с движением приемника и на экране высвечивается акустическая голограмма. На этом этапе происходит первое масштабирование, т.е. уменьшение изображения в 200..500 раз. С экраном трубки совмещен фоторегистратор 8, в плоскости изображения которого установлена фотопластинка. Здесь происходит дополнительное уменьшение в 5..10 раз.
После обработки пластинки восстановление голограммы производят с помощью оптической установки, состоящей из лазера 1 (рис.6.5), коллиматора 2, создающего параллельный пучок света, плоскости голограммы 4, линзы или объектива 6 для увеличения восстановленного изображения и плоскости регистрации 9. В схеме имеется пространственный фильтр 5; 7 и 8 - восстановленные изображения.
Способ сканирования одиночным приемником требует много времени для съема голограммы (5...10 мин), но благодаря простоте он широко применяется в лабораторных исследованиях и в системах дефектоскопии.
Ультразвуковая голограмма обеспечивает получение достаточно точной информации о местоположении и длине дефектов.