8. Понятие о направленности уз колебаний

Подача на пьезоэлектрический преобразователь пе­ременного напряжения приводит (вследствие обратного пьезоэффекта) к механическим его колебаниям (растя­жению и сжатию). Эти механические колебания пьезоэ­лемента передаются в окружающую среду, возбуждая в ней акустические (ультразвуковые) колебания. Возбуж­даемые пьезоэлементом ультразвуковые колебания распространяются в среде в различных на­правлениях. Причем интенсивность распространения этих колебаний в различных направлениях различна.

Направленность излучения преобразователя — это способность его излучать звуковые волны в одних на­правлениях в большей степени, чем в других. Направ­ленность преобразователя описывают характеристикой направленности — отношением интенсивности, создава­емой данным излучателем в направлении максимально­го излучения, к интенсивности ненаправленного излуча­теля той же мощности на том же расстоянии. Характери­стику направленности представляют обычно в полярной системе координат и называют диаграммой направлен­ности.

Колеблющийся пьезоэлектрический преобразователь, при достаточно больших размерах его в сравнении с дли­ной ультразвуковой волны (D > λ), создает в окружаю­щей среде волновое поле, имеющее вблизи от излучате­ля приблизительно цилиндрическую форму (ближняя зона, зона дифракции Френеля). Начиная с некоторого расстояния Z_o поле приобретает форму усеченного кону­са с небольшим углом φ_р при вершине (дальняя зона, зона дифракции Фраунгофера), что иллюстрирует рис. 10.

Рис. 10. Зоны излучения ПЭП

Таким образом, излучаемые пьезопластиной волны распространяются узким, слегка расходящимся пуч­ком. Величина угла φ_р , под которым этот пучок расхо­дится, сравнительно невели­ка и зависит от соотноше­ния между геометрическими размерами (площадью излу­чающей поверхности) пьезо-элемента и длиной волны излучаемых ультразвуковых колебаний. Для излучателя, имеющего форму диска ди­аметром D, величина угла φ_р (определяющего ширину ди­аграммы направленности из­лучателя) оценивается выра­жением

φ_р=arcsin(1.22λ/D).

Для ПЭП, используемых в резонаторах рельсо­вых дефектоскопов, D = 12 мм, λ = 2,36 мм (для про­дольной волны), тогда φ_р = 14°.

Из приведенного выражения следует, что при посто­янной частоте f излучения ультразвуковых колебаний чем больше диаметр пьезопластины, тем уже диаграмма на­правленности. На рис. 11. показан процесс формиро­вания диаграммы направленности при различных гео­метрических размерах пьезоэлемента. Как видно из рис. 11,в, при больших размерах пьезоэлемента диаграмма направленности становится достаточно узкой и, кроме того, у нее появляются боковые лепестки.

Рис. 11. Влияние размера ПЭП на вид и ширину его диаграммы направленности (ДН):

а — широкая; б — средняя; в — узкая с боковыми лепестками

Если преобразователь используется для приема уль­тразвуковых колебаний, он также имеет определенную направленность по чувствительности. Диаграммы направ­ленности преобразователя в режимах излучения и при­ема совпадают.

Протяженность ближней зоны Z_o для излучателя, име­ющего форму диска, пропорциональна квадрату его диа­метра и обратно пропорциональна длине волны ультра­звуковых колебаний. Для ПЭП, используемых в резона­торах рельсовых дефектоскопов, Z_o равна примерно 15 мм.