Раздел 2. Акустические преобразователи. 1. Основные характеристики

Раздел 2. Акустические преобразователи. 1. Основные характеристики Преобра- зователь Øпараметры акустического поля Øпередаточная функция (коэффициент электромеханического преобразования) Ø электрические сопротивления Ø временные характеристики Ø общетехнические характеристики 1

Акустические преобразователи. 1. Основные характеристики Ø параметры акустического поля 2

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости В жидкости может распространяться только продольная волна, направление смещения частиц среды при распространении которой совпадает с направлением распространения этой волны. Основные характеристики акустического поля Вектор смещения частиц среды. Различают мгновенное (в данный момент времени) значение смещения, амплитудное (максимальное значение), среднеквадратическое ( ) значение) Вектор колебательной скорости частиц среды . Звуковое давление p - разница между мгновенным давлением и статистическим. Потенциал φ связан с колебательной скоростью следующим образом: , - плотность среды 3

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости Круглый поршневой излучатель Простейшим видом излучателя является поршневой или плоский излучатель, амплитуда и фаза колебаний в каждой точке которого одинакова (идеальная модель излучателя). 2 а Каждая точка такого излучателя создает сферическую волну, которые складываются в произвольной точке (точка М). - сферическая волна Эти волны складываются с учетом разности фаз. - будет разная фаза Амплитуда этих волн в (точка М) тоже будет разная . 4

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости В пространстве вокруг поршневого излучателя создается сложное акустическое поле. Распределение этого поля на акустической оси выглядит следующим образом: Условно, акустическое поле разбивается на 2 части: дальнее и ближнее поля. Дальнее и ближнее поля характерны для излучателей любого типа. В дальнем поле разность фаз между звуковым давлением и колебательной скоростью близка к нулю, а в ближнем поле – близка к. Точка на которой имеется максимум - . Спад . Такой характер объясняется интерференцией сферических волн. 5

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости а Поперек оси акустическое поле имеет сложный характер. В области максимума поле выглядит как представлено на рис. а, - текущий радиус. б В обрасти минимума фигура в виде «седла» -рис. б. Следующий максимум выглядит как показано на рис. в. На рисунках показано, что в области ближней в зоны, ближнее поле преобразователя в пространстве сосредоточено вблизи (внутри) цилиндра, площадью, равной площади излучателя и длиной . 6

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости Звуковое поле в дальней зоне зависит от угла между акустической осью преобразователя и точкой, в которой рассматривается звуковое поле. Угловая зависимость акустического поля описывается характеристикой направленности преобразователя. Под характеристикой направленности понимается Для излучателя круглой формы: где J 1 - функция Бесселя первого рода; k - волновое число; - угол между осью и направлением на точку, в которой рассматривается поле; φ ( ) - значение под углом ; φ(0) - значение на оси. 7

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости В декартовой системе координат характеристика направленности имеет вид: В направлении основного лепестка излучается 90% звуковой энергии. 8

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости В итоге, звуковое поле в пространстве создаваемое круглым излучателем сосредоточено внутри цилиндра до расстояния , а дальше распространяется внутри конуса с углом 1. Для круглого излучателя такая картина осесимметрична. Для излучателя другой формы (прямоугольник), характеристика направленности зависит уже от 2 -х углов R( , ψ) (в одной и другой плоскости). 9

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости Все представленное ранее относилось к случаю непрерывного излучения ( непрерывного режима работы), когда временная зависимость колебаний описывается exp( j w 0 t ) , где w 0 - частота колебаний. Если режим работы импульсный, то полученные результаты искажаются. При непрерывном излучении поля точек 1 и 2 складываются. При импульсном излучении (особенно если r 2 -r 1 >cτ) сигналы в рассматриваемую точку приходят в разное время и сложения не происходит (или складываются частично). 10

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 1 Акустическое поле преобразователей в жидкости При обоих режимах происходит расширение основного лепестка характеристики направленности. Расчеты показали, что при длительностях импульса ( Т 0 - период высокочастотного заполнения; f 0 - частота заполнения) разницы между импульсным и непрерывным режимом практически нет. Однако разница существенна, если длительность уменьшается и составляет ≈ 1 ÷ 2 периода. 11

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода Поршневой преобразователь совершает толщинные колебания в направлении оси. Граничные условия: 2 a В итоге уравнение акустического тракта для продольных и поперечных волн будет выглядеть: где – коэффициенты прозрачности, . - множитель указывающий на распространение продольной и поперечной сферических волн, амплитуда которых зависит от угла α (квазисферическая волна). 12

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода Звуковое поле в твердой среде определяется суммой Однако при импульсном возбуждении из-за разности скоростей распространения продольных и поперечных волн эти сигналы разбегаются во времени и приходят в точку через время соответственно. В принципе, звуковое поле продольных и поперечных волн в твердой среде можно рассматривать раздельно и независимо друг от друга. Звуковое поле на больших расстояниях можно характеризовать характеристикой направленности . Рассмотрим отдельно характеристику направленности по продольным и поперечным волнам 13

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода При малых значениях угла α, R l (α) определяется в основном первым членом: Аналогичное выражение имеет место для характеристики направленности преобразо-вателя в жидкости. Характеристику направленности по поперечным волнам нельзя определить как для продольных, т. к. Dlt(α)=0 при α=0, что видно из рисунка. Rt(α) можно определить следующим образом: 14

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода Поведение характеристики направленности по поперечным волнам при малых углах в основном определяется множителем . В результате видим следующую картину: 1. Характеристика направленности по поперечным волнам представляет собой ряд лепестков. 2. Вдоль оси поперечные волны не распространяются 3. Максимум излучения поперечных волн определяется углом, зависящим от волнового размера преобразователя. Амплитуда поперечных волн вдоль этого направления не более 10% (0, 1) от уровня излученных продольных волн вдоль оси излучателя 4. Излученные поперечные волны при контроле являются источниками помех и при высоких уровнях чувствительности их надо иметь в виду. 15

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде Для излучения звука в твердую среду используются преобразователи, колеблющиеся по толщине (излучают продольные волны в изделие) и колеблющиеся вдоль оси или (излучают поперечные волны). 2 a Для передачи продольных волн от преобразователя, колеблющегося по толщине используется тонкая жидкостная прослойка между преобразователем и изделием. Для передачи поперечных волн необходимо использовать жесткую приклейку преобразователя у изделию (различные виды клеев) или жидкость, обладающую большой вязкостью (например, эпоксидная смола без отвердителя). 16

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде 2 a Преобразователи поперечных ( сдвиговых ) волн обладают существенным недостатком - необходимо создание жесткого контакта. Поэтому они используются, как правило, для исследовательских целей (например, для измерения скорости звука или коэффициента затухания). В последнее время нашли широкое применение для целей неразрушающего контроля (НК) электромагнитноакусические преобразователи (ЭМАП), как правило, работающие на поперечных волнах. При этом используется воздушный контакт (воздушный зазор между преобразователем и изделием). 17

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде Уравнение акустического тракта для пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП): Если посмотреть на формулу , то видно, что в дальней зоне преобразователя (при больших значениях R) излучаемая продольная волна , описывае мая скалярным потенциалом φ , является волной квазисферической. Ее фронт сферический, о чем говорит последний член в формуле , а распределение амплитуды колебаний по фронт у неодинаковое (как в сферической волне), определяемое в основном вторым членом уравнения ( т ак как первый член слабо зависит от угла θ). 18

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде Звуковое поле в дальней зоне описывается характеристикой направленности , которая для твердой среды определяется следующим образом: Выражение не отличается по виду от характеристики направленности излучателя в жидкости, кроме того, что волновое число k l берется для твердой среды. Излучение продольных волн имеет вид конуса с углом расхождения 19

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде Для компонент векторного потенциала уравнение акустического тракта представляется в виде: Основной вклад в значение компонент векторного потенциала при малых углах вносит функция F 2 ( θ ) , которая близка к нулю. В итоге, излучение поперечных волн вдоль оси излучателя не происходит. Характеристику направленности по поперечным волнам Φ t ( θ ) определить так же, как Φ l ( θ ) не возможно (так как присутствует деление на 0). Поэтому ее определяют следующим образом: 20

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде Основной лепесток характеристики направленности излучаемых преобразователем поперечных волн в пространстве представляет собой “юбку” (тело вращение вокруг оси ) Амплитуда излучаемых поперечных волн мала и не превышает 10% от амплитуды излучаемых продольных волн. Поэтому в большинстве случаев ими можно пренебречь. Однако при контроле изделий с высокой чувствительностью и в малопоглащающих средах (а так же при измерении скорости звука) излучаемые поперечные волны являются источниками помех. Это необходимо учитывать при контроле. 21

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя В ряде случаев, при: • контроле сварных соединений, • контроле тонкостенных изделий, • контроле изделий с ограниченными размерами или ограниченным доступом к поверхности звуковой пучок необходимо вводить не нормально к поверхности изделия, а под некоторым углом. 22

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Наиболее просто осуществить наклонный ввод звукового пучка в изделие возможно иммерсионным способом, когда преобразователь располагают под некоторым углом к границе раздела (рис. а). Такой способ используется при автоматическом контроле изделий. При ручном контроле для этих целей используют твердую задержку в виде клина (рис. б). Этот твердый клин контактирует с поверхностью изделия через тонкий слой жидкости (вода, трансформаторное масло, глицерин и т. д. ). 23

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя При наклонном падении продольной волны на границу раздела в твердой среде возникают две волны – продольная и поперечная. Каждая из них имеет свой коэффициент прохождения (Dl 1 l 2, Dl 1 t 2). При θ 1 kp – первый критический угол, при котором преломленная продольная волна скользит вдоль границы раздела, при θ 2 kp – второй критический угол , при котором преломленная поперечная волна скользит вдоль границы раздела сред. 24

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя В практике неразрушающего контроля используются следующие углы наклона призмы преобразователей: 1. θ=0 - нормальный (прямой) преобразователь. 2. 0<θ≤(4÷ 7)º - продольная волна излучается, а поперечной практически нет. Контроль ведется продольными волнами. Такие углы наклона используются в специальных раздельно-совмещенных преобразователях (РС) имеющих 2 преобразователя (излучатель и приемник) в одном корпусе. 3. θ≈θ 1 kp. В этом случае наблюдается интерференция продольной волны, идущей вблизи поверхности раздела с поперечной волной. Такая волна называется головной. На ее распространение не влияет шероховатость поверхности (даже резьба). 25

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя 4. θ 1 kp<θ< θ 2 kp. Контроль ведется поперечными волнами 5. θ≈θ 2 kp. При этом угле наклона неоднородные продольные и поперечные волны складываются и образуют однородную поверхностную волну (волну Рэлея). где cs - скорость рэлеевской волны cs ≈ (0. 85÷ 0. 9) ct 2. Основное применение в практике контроля имеет угол наклона θ между двумя критическими углами, т. к. в этом случае излучается только один тип волн (поперечные), у которых при одной и той же частоте длина волны λ а значит больше чувствительность контроля (меньше λ). 26

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Материал наклонного преобразователя Имеется несколько специальных требований к материалу наклонного преобразователя: 1. Преобразователь должен быть износоустойчивым (работа в контакте с материалом) 2. Материал призмы должен быть таким, чтобы коэффициент прозрачности был как можно больше 3. Материал призмы должен быть так им , чтобы при данном угле ввода в твердую среду распространялись только поперечные волны 4. Материал призмы должен быть таким, чтобы волны, отраженные внутрь призмы не мешали бы проведению контроля 27

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя 5. С точки зрения увеличения коэффициента прозрачности желательно выбирать материал призмы с импедансом ρ с близким к материалу контролируемого изделия. Кроме того, должно выполняться условие c l 1 < c t 2 ( скорость продольной волны в призме должна быть меньше, чем скорость поперечной в объекте контроля (ОК)), а это определяется материалом контролируемого изделия (КИ). 6. О траженные сигналы внутри призмы не должны меша ть проведению контроля. Для этого материал призмы выбирают с большим поглощением звука и в качестве последнего используют плексиглас, полистирол и другие материалы на основе смол. Недостатком таких материалов является плохая износоустойчивость (быстрое стирание). Для исключения этого недостатка, призмы помещают в металлический корпус. 28

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Кроме выбора материалов применяется ряд других специфических методов для уменьшения уровня собственных шумов, связанных с распространением продольных и поперечных волн внутри призмы. Для этого: • изменяют геометрию призмы, т. е. делают ловушки искусственно увеличивая путь звука внутри призмы; • делают канавки на отражающей грани призмы (для дополнительного рассеяния) • сверлят отверстия для дополнительного рассеяния • помещают призму в дополнительный звукопоглощающий материал 29

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Пьезоэлемент, как правило, приклеивают жестко к наклонной грани призмы и чувствительность самого пьезоэлемента в процессе контроля не меняется. Обычно это используется для прямого (нормального) преобразователя из-за изменения толщины прослойки жидкости в процессе контроля. В наклонном преобразователе при сканировании по шероховатой поверхности меняется толщина прослойки подошвой преобразователя, что приводит к незначительным колебаниям чувствительности из-за изменения коэффициента прозрачности. Однако контроль наклонным преобразователем более стабилен, чем нормальным при одинаковом качестве контакта. 30

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя в твердой среде может быть определено таким же образом, как при исследовании акустического поля поршневого преобразователя, нагруженного на твердую среду. При этом используются граничные условия равенства нулю всех упругих коэффициентов напряжения вне поверхности пьезоэлемента и постоянство упругого напряжения под пьезоэлементом. В результате, может быть определено звуковое поле в призме в виде суперпозиции плоских продольных и поперечных однородных и неоднородных волн. Далее эти волны падают на границу раздела между призмой и твердой средой и необходимо учесть преломление этих волн на этой границе. В итоге в твердую среду излучаются продольные, поперечные и поверхностные волны. В зависимости от угла наклона призмы, амплитуда волн существенно меняется и при угле наклона θ 1 kp <θ< θ 2 kp звуковое поле состоит практически из одних поперечных волн. При этом продольные волны являются 31 источниками помех.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Угол наклона призмы находится в пределах: Закон Снеллиуса гласит: Т. к. cl 1

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Искажение реального размера излучателя при переходе от реального к мнимому происходит только в плоскости чертежа. В плоскости перпендикулярной плоскости чертежа, размер мнимого излучателя равен размеру реального излучателя. В результате, если реальный пьезоэлемент имел круглую форму, то мнимый приобретает форму эллипса, в котором 33

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Характеристику направленности наклонного преобразователя можно ориентировочно рассчитывать как характеристику направленности прямоугольного с размерами D 1 . В этом случае, характеристика направленности является функцией двух координат θ и ψ , где угол θ отсчитывается от оси излучения, а угол ψ от перпендикулярной плоскости. В этом выражении угол ψ=0 находится в плоскости чертежа, а угол - перпендикулярен плоскости чертежа. 34

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Основной лепесток Отсюда видно, что чем больше угол наклона призмы β , тем меньше мнимый размер излучателя D 1 и тем шире основной лепесток характеристики направленности в плоскости чертежа (т. е. 35

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Ширина характеристики направленности в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа . Характеристика направлен-ности в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа более острая, так как 36

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК 2. 4. Акустическое поле наклонного преобразователя Сечение характеристики направленности со стороны преломленного луча выглядит следующим образом. Δr - характерный размер для преобразователя. Стрела искателя равна 37

Акустические преобразователи. Основные характеристики Øвременные характеристики 38

Акустические преобразователи. Основные характеристики Øвременные характеристики 39

Акустические преобразователи. Основные характеристики Преобра- зователь Ø передаточная функция (коэффициент электромеханического преобразования) 40

Пьезопреобразователи. Основные характеристики Ø полоса пропускания Ø рабочая частота Ø протяженность ближней зоны Ø путь (задержка) в призме Ø фокусное расстояние Ø глубина, ширина, длина фокуса Ø эффективный диаметр пьезоэлемента Ø направленность поля ПЭП, характеристика направленности Ø угол ввода Ø угловое отклонение/параллельное смещение луча относительно оси корпуса Ø точка выхода луча Ø стрела Ø резерв усиления Ø мертвая зона Ø износостойкость Ø АЧХ, ФЧХ, РШХ 41

Пьезопреобразователи. Основные характеристики Ø прочность на давление в точке Ø область рабочих температур, область кратковременных температур Ø добротность (электрическая, механическая) Ø максимальное электрическое напряжение Ø температурная стабильность Ø сопротивление излучения Ø передаточная функция Ø коэффициент преобразования 42