2.4 Характеристики луча
Традиционный одноэлементный преобразователь служит поршнем для высокочастотных механических вибраций (звуковых волн). При подаче напряжения пьезоэлектрический преобразователь (кристалл) деформируется перпендикулярно своей поверхности. При прекращении подачи напряжения, менее чем через микросекунду, элемент спружинивает, генерируя импульс механической энергии, включающий ультразвуковую волну. На представленном ниже изображении схематически показана реакция пьезоэлемента на короткий электрический импульс.
Наиболее часто используемые в УЗК преобразователи обладают следующими основными рабочими характеристиками:
Тип -- Идентификация преобразователя по виду контроля: контактный, наклонный, иммерсионный или с линией задержки. Выбор типа преобразователя зависит от таких факторов, как: шероховатость поверхности объекта контроля, температура, скорость контроля, доступность зоны контроля и положение дефекта.
Диаметр -- Диаметр активного элемента преобразователя. Сам элемент находится внутри корпуса чуть большего размера.
Частота -- Количество колебаний волны в секунду. Обычно выражается в килогерцах (кГц) или мегагерцах (МГц). В промышленности контроль обычно производится на частотах от 500 кГц до 20 МГц, поэтому большинство преобразователей будут функционировать в данном диапазоне частот. Также доступны преобразователи в диапазоне частот от 50кГц и до 200 МГц. Проникающая способность улучшается с понижением частоты. С повышением частоты улучшаются разрешение и фокальная резкость.
Полоса пропускания -- Диапазон частот в указанных пределах амплитуды. В этой связи следует уточнить, что стандартные преобразователи для УЗК генерируют звуковые волны не на одной конкретной частоте, в пределах конкретного диапазона отцентрированного по заданной номинальной частоте. В НК принято устанавливать полосу пропускания на уровне -6 дБ (или половина значения амплитуды).
Длительность импульса -- Количество колебаний волны, генерируемых преобразователем с каждым импульсом. Преобразователь с узкой полосой пропускания генерирует большее количество колебаний волны, чем преобразователь с широкой полосой пропускания. На длительность импульса влияет диаметр активного элемента, демпфирующий материал, электрическая настройка и способ возбуждения преобразователя.
Чувствительность -- Отношение между амплитудами возбуждающего импульса и эхо-сигнала от отражателя.
В рабочем приближении луч от обычного несфокусированного дискового преобразователя понимается как столп энергии, который распространяется от активного элемента, увеличиваясь в диаметре и постепенно рассеиваясь.
На самом деле реальный профиль луча гораздо сложнее и окрашен градиентом давления в поперечном и осевом направлении. На нижеприведённом изображении красным окрашены участки с максимальной энергией, зелёным и синим - участки с более низкой энергией.
Акустическое поле преобразователя делится на 2 зоны – ближнюю и дальнюю. Ближняя зона – это участок акустического поля, где давление звука варьируется от минимума до максимума. Оно заканчивается на последнем максимуме оси на расстоянии N от поверхности преобразователя. Расстояние N ближнего поля является естественным фокусом преобразователя.
Дальняя зона – это участок акустического поля после N, где звуковое давление постепенно уменьшается до нуля по мере увеличения диаметра луча и рассеяния его энергии. Расстояние ближнего поля зависит от частоты и диаметра преобразователя, а также от скорости звука в исследуемой среде. Оно рассчитывается следующим образом для круглых элементов, наиболее часто используемых в УЗК: |
|
Из-за вариаций давления звука в ближней зоне не всегда удается адекватно оценить дефекты амплитудными методами (измерение толщины в ближнем поле не представляет проблем). Кроме того, значение N – это максимальное расстояние, на котором возможна фокусировка луча с помощью акустической линзы или фазовой синхронизации. Иммерсионные преобразователи могут быть сфокусированы (с помощью акустических линз) для создания луча формы песочных часов, который сначала сужается к маленькой фокусной точке, а затем расширяется. Некоторые виды преобразователей с линией задержки также могут быть сфокусированы. Фокусировка луча очень удобна при контроле труб малого диаметра или изделий с переменным радиусом кривизны, поскольку сосредотачивает акустическую энергию в маленькой зоне и улучшает характеристики эхо-сигнала.
