- •Лабораторна робота № 1 вимірювання характеристик спрямованості ультразвукових перетворювачів
- •1.1. Основні положення
- •1.2. Експериментальна частина
- •1.3. Питання для самоконтролю
- •1.4. Література
- •Лабораторна робота № 2 імпедансний метод ультразвукової дефектоскопії
- •2.1. Основні положення
- •2.2. Опис лабораторного стенду
- •2.3. Методика і порядок виконання роботи
- •2.4. Експериментальна частина
- •3.1. Основні положення
- •3.2. Опис лабораторного стенду
- •3.2.1. Основні технічні характеристики.
- •3.2.2. Принцип роботи пристрою.
- •3.2.3. Структурна схема дефектоскопа.
- •3.3. Підготовка дефектоскопа до роботи
- •3.3.1.Контрольні зразки.
- •3.3.2. Включення дефектоскопу.
- •3.3.3. Настройка дефектоскопу.
- •3.4. Порядок роботи з дефектоскопом
- •3.5. Експериментальна частина
- •3.6. Питання для самоконтролю
- •3.7. Література
- •Лабораторна робота № 6 дослідження ультразвукової фокусуючої системи типу рефрактор
- •6.1. Основні положення
- •6.2. Стенд для дослідження
- •6.3. Експериментальна частина
- •6.4. Оформлення результатів
- •6.5. Питання для самоконтролю
- •6.6. Література
Лабораторна робота № 1 вимірювання характеристик спрямованості ультразвукових перетворювачів
Мета роботи: ознайомлення з методами вимірювання діаграми спрямованості ультразвукових перетворювачів в ближній і дальній зонах.
1.1. Основні положення
При дослідженні характеристик розподілу акустичного тиску використовують два способи. Згідно першому поле випромінювання досліджується за допомогою пробного, в ідеальному випадку точкового приймача. Досліджується тільки поле випромінювання. Другий спосіб передбачає зняття характеристик поля випромінювання-прийому по відбиттю від такого ж мініатюрного об'єкту, що має кругову діаграму спрямованості. Між характеристиками, знятими цими способами, існує залежність – квадрат розподілу поля випромінювання рівний розподілу поля випромінювання-прийому.
В акустичному полі будь-якого перетворювача, внаслідок активних інтерференційних процесів утворяться дві характерні структури – зони ближня й дальня (рис. 1.1): ближня і дальня .
Рис. 1.1. Зони випромінювання
Між цими зонами розташована проміжна або перехідна зона. Тут 2a – максимальний поперечний розмір випромінювача, а λ – довжина хвилі в середовищі розповсюдження хвилі. У ближній зоні переважає явище інтерференції з явно вираженими нулями і пучностями. Хвиля в ближній зоні не розходиться і перетин пучка визначається конфігурацією плоского випромінювача.
У ближній зоні (зоні Френеля) випромінювача (рис. 1.2,б) поле спрощено можна представити у вигляді променевої трубки із границею по ізобарі (лінії, що з'єднує точки з рівним звуковим тиском), діаметр якої дорівнює діаметру п’єзоелементу 2а (рис. 1.1). У цій променевій трубці зосереджена основна випромінювана енергія, але не вся.
Рис. 1.2. Поле випромінювання: а) фотографія ультразвукового поля випромінювача, б) розрахункова структура поля в ближній зоні
Модуль поля (амплітуда без врахування знака фази) максимальний при та мінімальний при , де n=1,2,3… (рис. 1.1). Виникнення екстремумів пояснюється тим, що в кожну точку простору поблизу п’єзоелементу хвилі, випроменені різними його ділянками, приходять у різний час і з різними фазами, та інтерферують (складаються) з урахуванням набігу фаз. Тому у межах ближньої зони звуковий тиск Р осцилює не тільки по осі, але по всьому об’єму циліндра діаметром 2а й довжиною rб.
Для дискового випромінювача закон зміни амплітуди тиску в ближній зоні може бути представлений виразом
, (1.1)
де ρ, с – акустичні параметри середовища випромінювання, ν0 - коливальна швидкість поверхні випромінювача , r1 та r0 - відстань від точки М1 на акустичній осі до краю і центру випромінювача (рис. 3). Тут .
Рис. 1.3. До розрахунку поля акустичного тиску на осі дискового випромінювача
У дальній зоні акустичний тиск монотонно зменшується за законом зворотної пропорційності, що характерний для сферичної хвилі. Якщо в ближній зоні основна частка акустичної енергії розповсюджується в трубці випромінювання, то в дальній зоні основна енергія розповсюджується в конусі випромінювання. Оцінюється дальня зона випромінювання діаграмою спрямованості.
При r>rб інтерференційні явища по осі випромінювача слабшають, а при r>3rб практично відсутні. Цю область називають дальньою або зоною Фраунгофера. У цій зоні хвилі випроменені всіма ділянками п’єзоелементу проходять практично в одній фазі. Але в межах однієї фази (тобто в межах λ/2) амплітуди цих хвиль змінюються від 0 до 1. Тому, у ній пучок розширюється, а звуковий тиск Р0 у пучку в напрямку під кутом Θ акустичної осі монотонно зменшується уздовж і поперек акустичної осі відповідно до виразу:
(1.2)
У цьому виразі член Sа/λr, що називається дифракційним, характеризує послаблення інтенсивності по осі пучка внаслідок його розходження по конусу (рис. 1.1). Тут Sa - площа випромінювача. Другий член R(Θ) є характеристикою (діаграмою) спрямованості і визначає розподіл звукового тиску в поперечному перерізі (по фронту хвилі) щодо тиску по осі, який прийнятий за 100% (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Діаграма направленості дискового перетворювача в декартовій (а) та сферичній (б) системах координат
Іншими словами, діаграма направленості (ДН) – це векторна діаграма кутового розподілу енергії поля випромінювача. Тобто в ній довжина вектора (променя під якимось кутом Θ до осі пучка) пропорційна енергії випромінювання в цьому напрямку щодо енергії уздовж осі. Тому, від однакових відбивачів розташованих на одній відстані r фіксуються сигнали різні по амплітуді (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Зміна амплітуди сигналу від положення відбивача в межах діаграми направленості
Діаграма спрямованості складається з декількох пелюстків (рис. 1.4,б). Чим вище частота f або більше a, тим пелюстків більше.
У дальній зоні дискового випромінювача діаметром 2а акустичне поле вісесиметричне. Діаграма спрямованості в будь-якій з площин
. (1.3)
Функція J1 - це функція Бесселя 1-го роду 1-го порядку, нулі якої (рис. 1.4,а) відповідають нулям діаграми спрямованості. Тоді
,
,
,
де - хвильовий розмір випромінювача.
Діаграма спрямованості прямокутного випромінювача в осьовій площині (вертикальній або горизонтальній), паралельній стороні прямокутника 2а (або 2b), відповідає виразу
(1.4)
або
. (1.5)
Тоді ,
,
.
Схема вимірювання представлена на рис. 1.6. Методика вимірювання полягає в наступному: приймальний перетворювач встановлюють на відстані r≥rб від випромінювача, де rб – ближня зона, розрахована для найбільшого розміру перетворювача; λ – довжина хвилі в об’єкті. За допомогою випромінюючого перетворювача вводять в об’єкт поздовжні хвилі. Спочатку встановлюють обидва перетворювачі на одній акустичній осі і фіксують амплітуду сигналу на приймачі за допомогою ультразвукового дефектоскопу. Далі зміщують приймач на деякий кут Θ відносно акустичної осі і фіксують амплітуду прийнятого сигналу. Потім знову зміщують приймач на певний кут (із заданим кроком) і також фіксують амплітуду прийнятого сигналу.
Рис. 1.6. Схема вимірювання