Измерение фокусного расстояния системы двух акустических линз

В экспериментах использовалась система, состоящая из двух одинаковых акустических линз, закрепленных на держателях и установленных на металлической скамье так, чтобы совпадали главные акустические оси обеих линз. Выпуклости сферических поверхностей линз были направлены навстречу. Поэтому такая система линз симметрична по отношению к направлению прохождения ультразвуковых волн слева направо или справа налево вдоль общей главной акустической оси. Расстояние между параллельными главными плоскостями этих линз составляло 11 см.

Если точечный излучатель ультразвуковых волн находится в одном из фокусов системы акустических линз, то ультразвуковые волны, проходящие через эту систему линз, сходятся в другом фокусе . При этом амплитуда сигнала, регистрируемого пьезоэлектрическим преобразователем, помещенным в фокус , имеет максимальную величину.

Процедура измерения фокусного расстояния системы линз проводилась следующим образом. Пьезоэлектрические преобразователи: один генерирующий ультразвуковые импульсы, а другой регистрирующий эти импульсы, помещались по разные стороны системы линз на общей главной акустической оси линз на одинаковых расстояниях от соответствующих главных плоскостей линз так, чтобы оси симметрии этих преобразователей совпадали с общей главной акустической осью линз.

Для измерений использовался следующий рабочий режим ультразвукового дефектоскопа УСД-60: амплитуда напряжения, подаваемого на генерирующий пьезоэлектрический преобразователь, составляла 200 В; частота заполнения импульсов – 5 МГц; количество полных колебаний в импульсе – 5; частота следования импульсов – 2000 Гц; усиление – 36 дБ.

Экспериментами определялась амплитуда сигнала, регистрируемого приемным пьезоэлектрическим преобразователем. Пьезоэлектрические преобразователи последовательно перемещались вдоль общей акустической оси на одинаковые расстояния от соответствующих главных плоскостей линз, и измерялась амплитуда сигнала.

На рис. 3 представлены экспериментальные результаты зависимости амплитуды сигнала от расстояния , полученные усреднением данных четырех серий измерений.

Рис. 3. График зависимости амплитуды сигнала от расстояния .

Аппроксимация этих экспериментальных данных проводилась методом наименьших квадратов – сплошная кривая линия на рис. 3. В окрестности амплитуда сигнала достигает максимальной величины. С учетом ошибки вычисления фокусного расстояния одной акустической линзы и ошибки измерения расстояния фокусное расстояние системы акустических линз приблизительно равно фокусному расстоянию одной акустической линзы: .

Регистрация дифрагированных ультразвуковых волн

Для регистрации дифрагированных ультразвуковых волн использовался следующий рабочий режим ультразвукового дефектоскопа УСД-60: амплитуда напряжения, подаваемого на генерирующий пьезоэлектрический преобразователь, составляла 200 В; частота заполнения импульсов – 5 МГц; количество полных колебаний в импульсе – 5; частота следования импульсов – 2000 Гц; усиление – 87 дБ.

На главной акустической оси системы линз устанавливались ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и центр бокового отверстия пенопластового прямоугольного параллелепипеда, имеющего центральное глухое вертикальное отверстие диаметром 1,2 см. Генерирующий пьезоэлектрический преобразователь находился в центре торца указанного параллелепипеда так, что ось симметрии этого преобразователя была перпендикулярна главной акустической оси. Рабочая поверхность регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и вертикальная ось глухого отверстия устанавливались на расстояниях, равных фокусному расстоянию системы , от соответствующих главных плоскостей линз. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 4а).

Затем устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см ниже этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 4б).

После этого устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см выше этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 4в).

а б в

Рис. 4. Сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в воде,

при распространении ультразвуковых импульсов в канале диаметром 1,2 см.

На главной акустической оси системы линз устанавливались ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и центр бокового отверстия пустого пенопластового прямоугольного параллелепипеда, имеющего внутреннею форму стального прямоугольного параллелепипеда. Генерирующий пьезоэлектрический преобразователь находился в центре верхнего торца указанного параллелепипеда так, что ось симметрии этого преобразователя была перпендикулярна главной акустической оси. Рабочая поверхность регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и ось симметрии этого генерирующего пьезоэлектрического преобразователя устанавливались на расстояниях, равных фокусному расстоянию системы , от соответствующих главных плоскостей линз. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 5а).

Затем устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см ниже этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 5б).

После чего устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см выше этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 5в).

а б в

Рис. 5. Сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в воде, при распространении ультразвуковых импульсов в объеме, равном объему стального

прямоугольного параллелепипеда.

Стальной образец в форме прямоугольного параллелепипеда помещался в пенопластовый контейнер с боковым отверстием для стального сферического сегмента. На главной акустической оси системы линз устанавливались ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и ось симметрии сферического стального сегмента, расположенного на боковой поверхности стального образца с генерирующим пьезоэлектрическим преобразователем на верхнем торце этого образца. Рабочая поверхность регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя и вертикальная ось, проходящая через ось симметрии генерирующего пьезоэлектрического преобразователя устанавливались на расстояниях, равных фокусному расстоянию системы , от соответствующих главных плоскостей линз (рис. 6а).

Затем устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см ниже этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 6б).

После этого устанавливалась ось симметрии регистрирующего пьезоэлектрического преобразователя параллельно главной акустической оси системы линз на расстоянии 1,5 см выше этой акустической оси. Проводилось измерение сигналов, полученных от дифрагированных ультразвуковых волн, в импульсном режиме (рис. 6в).

а б в

Рис. 6. Сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в стали, при распространении ультразвуковых импульсов в стальном прямоугольном

параллелепипеде.

Из рис. 4, 5, 6 видно, что устойчиво зарегистрированы сигналы, полученные от дифрагированных ультразвуковых волн в воде и стали при распространении ультразвуковых импульсов в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука или в направлениях близких к этому направлению. Причем амплитуды этих сигналов в несколько раз превосходят амплитуды случайных помех.