Динамические свойства фронта волны в традиционных преобразователях
Формирование фронта волны
Одноэлементный преобразователь играет роль поршня, где один диск или пластина передает энергию исследуемому объекту. Однако, создаваемую им волну можно математически смоделировать как сумму волн от множества точечных источников. Это подтверждает принцип Гюйгенса, введённый в 17 веке голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Согласно этому принципу, каждая точка фронта волны является источником новых сферических волн, а результирующее волновое поле является суммой этих отдельных сферических волн.
Распространение луча
Звуковая волна, генерируемая преобразователем, распространяется по прямой до границы материала. Ниже описывается то, что происходит после этого. Если звуковой путь длиннее ближней зоны, луч увеличивается в диаметре и расходится, как свет в прожекторе. Угол распространения луча для нефокусированного преобразователя рассчитывается следующим образом:
Из этой формулы видно, что угол расходимости пучка увеличивается с понижением частоты и уменьшением диаметра. Большой угол расходимости пучка способствует снижению количества звуковой энергии на единицу площади, по сути уменьшая чувствительность преобразователя к маленьким отражателям. Однако, в некоторых случаях эхо-сигнал можно улучшить, используя более высокие частоты и/или преобразователь большего диаметра.
Затухание
При прохождении в объект организованный фронт волны, генерированный ультразвуковым преобразователем, начинает ослабевать из-за неполной передачи энергии в микроструктуре материала. Организованные механические вибрации (звуковые волны) переходят в хаотичные механические вибрации (тепло) до тех пор, пока колебания не затухнут. Этот процесс называется затуханием звука.
Математическая теория затухания и рассеяния звука достаточно сложная. Потеря амплитуды из-за затухания на определенном пути УЗ будет суммой эффектов поглощения, усиливающихся линейно с частотой, и эффектов рассеяния, варьирующихся во всех трех зонах в зависимости от соотношения межзеренных границ или других рассеивающих элементов. В любом случае, эффекты рассеяния возрастают с повышением частоты. Коэффициент затухания зависит от материала, температуры контроля, частоты; и обычно выражается в неперах на сантиметр (Нп/см). При получении коэффициента затухания можно рассчитать потери для определенного сигнала по следующей формуле.
На практике в НК коэффициенты затухания обычно измеряются, а не рассчитываются. Сигналы на более высоких частотах будут затухать быстрее, чем сигналы на низких частотах вне зависимости от среды контроля. Поэтому при контроле материалов с высоким коэффициентом затухания (например, пластик пониженной плотности или резина) обычно используются более низкие частоты.
Отражение и передача на границе перпендикулярной плоскости
Если на пути волны при ее прохождении через материал оказывается граница иной по составу среды, лежащая перпендикулярно направлению волны, часть энергии волны отразится, а часть продолжит свое движение в прежнем направлении. Соотношение отразившейся и передаваемой далее энергии связано со значениями акустического импеданса обоих сред. Акустический импеданс – это плотность материала, помноженная на скорость звука. Коэффициент отражения на перпендикулярной плоскости, т.е. количество отражаемой звуковой энергии, рассчитывается следующим образом:
Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу значения акустического импеданса обоих сред, тем ниже коэффициент отражения, и наоборот – чем больше различие между акустическими импедансами, тем выше коэффициент отражения. Теоретически коэффициент отражения от границы между двумя средами с одинаковым акустическим импедансом равен нулю. Если акустический импеданс между двумя средами различается слишком сильно (например, сталь и воздух), то коэффициент равен 100%.
Преломление и трансформация волн на неперпендикулярных границах
Если на пути волны при ее прохождении через материал оказывается граница иной по составу среды, лежащая под углом более 0 градусов к направлению волны, часть энергии волны отразится под углом, равным углу падения. В то же время, энергия волны, переданная во вторую среду, будет преломлена с соответствии с законом Снеллиуса. Этот закон был выведен независимо двумя разными математиками в 17 веке. Закон Снеллиуса устанавливает взаимосвязь между синусами углов падения и преломления и скоростью волны в каждой среде, как показано ниже.
Если скорость звука во второй среде выше, чем в первой, то после определенного значения угла отклонение будет сопровождаться трансформацией волны. Чаще всего продольная волна становится поперечной. Это основной принцип широко используемых методов контроля наклонным преобразователем. При увеличении угла падения в первой (медленной) среде, такой как призма или вода, угол преломленной продольной волны во второй (быстрой) среде, такой как металл, также увеличится. По мере того, как угол преломленной продольной волны приближается к 90 градусам, все большая часть энергии волны будет трансформироваться в более медленную поперечную волну, которая будет преломляться согласно закону Снеллиуса. При большем угле падения угол преломления будет 90 градусов, преломленная волна станет полностью поперечной. При еще большем угле падения поперечная волна теоретически будет преломляться под углом 90 градусов, и во второй среде возникнет поверхностная волна. На интерактивном изображении ниже показан данный эффект для обычного наклонного преобразователя на образце из стали.
