Раздел 2. Акустические преобразователи. Основные характеристики презентация

(коэффициент электромеханического преобразования)
электрические сопротивления
временные характеристики
общетехнические характеристики

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

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).

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 .

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.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

В области максимума поле выглядит как представлено на рис.а, - текущий радиус.
В обрасти минимума фигура в виде «седла» -рис. б.
Следующий максимум выглядит как показано на рис. в.
На рисунках показано, что в области ближней зоны, ближнее поле преобразователя в пространстве сосредоточено вблизи (внутри) цилиндра, площадью, равной площади излучателя и длиной .

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

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 J1 - функция Бесселя первого рода; k - волновое число; θ - угол между осью и направлением на точку, в которой рассматривается поле; φ(θ) - значение под углом θ; φ(0) - значение на оси.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

направленности имеет вид:













В направлении основного лепестка излучается 90% звуковой энергии.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

излучателем сосредоточено внутри цилиндра до расстояния , а дальше распространяется внутри конуса с углом θ 1.






Для круглого излучателя такая картина осесимметрична. Для излучателя другой формы (прямоугольник), характеристика направленности зависит уже от 2-х углов R(θ,ψ) (в одной и другой плоскости).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

(непрерывного режима работы), когда временная зависимость колебаний описывается exp(jw0t), где w0 - частота колебаний. Если режим работы импульсный, то полученные результаты искажаются.

При непрерывном излучении поля точек 1 и 2 складываются. При импульсном излучении (особенно если r2-r1>cτ) сигналы в рассматриваемую точку приходят в разное время и сложения не происходит (или складываются частично).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

направленности.

Расчеты показали, что при длительностях импульса
(Т0 - период высокочастотного заполнения; f0 - частота заполнения) разницы между импульсным и непрерывным режимом практически нет. Однако разница существенна, если длительность уменьшается и составляет ≈ 1 ÷ 2 периода.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.1 Акустическое поле преобразователей в жидкости

преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода

Поршневой преобразователь совершает толщинные колебания в направлении оси.

Граничные условия:

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).

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

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода

основном первым членом:




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:

Аналогичное выражение имеет место для характеристики направленности преобразо-вателя в жидкости.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода

углах в основном определяется множителем . В результате видим следующую картину:

Характеристика направленности по поперечным волнам представляет собой ряд лепестков.
Вдоль оси поперечные волны не распространяются
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
Излученные поперечные волны при контроле являются источниками помех и при высоких уровнях чувствительности их надо иметь в виду.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.2. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде при иммерсионном способе ввода

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).

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. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

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).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

Если посмотреть на формулу, то видно, что в дальней зоне преобразователя (при больших значениях R) излучаемая продольная волна, описываемая скалярным потенциалом φ, является волной квазисферической. Ее фронт сферический, о чем говорит последний член в формуле, а распределение амплитуды колебаний по фронту неодинаковое (как в сферической волне), определяемое в основном вторым членом уравнения (так как первый член слабо зависит от угла θ).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

которая для твердой среды определяется следующим образом:

Выражение не отличается по виду от характеристики направленности излучателя в жидкости, кроме того, что волновое число kl берется для твердой среды.


Излучение продольных волн имеет вид конуса с углом расхождения

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

малых углах вносит функция F2(θ) , которая близка к нулю. В итоге, излучение поперечных волн вдоль оси излучателя не происходит.
Характеристику направленности по поперечным волнам Φt(θ) определить так же, как Φl(θ) не возможно (так как присутствует деление на 0). Поэтому ее определяют следующим образом:

Для компонент векторного потенциала уравнение акустического тракта представляется в виде:

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

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.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.3. Акустическое поле поршневого преобразователя в твердой среде

изделий,
контроле изделий с ограниченными размерами или ограниченным доступом к поверхности
звуковой пучок необходимо вводить не нормально к поверхности изделия, а под некоторым углом.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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.).

Наиболее просто осуществить наклонный ввод звукового пучка в изделие возможно иммерсионным способом, когда преобразователь располагают под некоторым углом к границе раздела (рис. а).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

раздела в твердой среде возникают две волны – продольная и поперечная. Каждая из них имеет свой коэффициент прохождения (Dl1l2, Dl1t2).

При θ1kp – первый критический угол, при котором преломленная продольная волна скользит вдоль границы раздела, при θ2kp – второй критический угол, при котором преломленная поперечная волна скользит вдоль границы раздела сред.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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≈θ1kp. 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).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

продольные и поперечные волны складываются и образуют однородную поверхностную волну (волну Рэлея).

где cs - скорость рэлеевской волны cs ≈ (0.85÷0.9) ct2.
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).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

наклонного преобразователя:
Преобразователь должен быть износоустойчивым (работа в контакте с материалом)
Материал призмы должен быть таким, чтобы коэффициент прозрачности был как можно больше
Материал призмы должен быть таким, чтобы при данном угле ввода в твердую среду распространялись только поперечные волны
Материал призмы должен быть таким, чтобы волны, отраженные внутрь призмы не мешали бы проведению контроля

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

импедансом ρс близким к материалу контролируемого изделия. Кроме того, должно выполняться условие cl1Отраженные сигналы внутри призмы не должны мешать 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.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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 под 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.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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 θ1kp<θ< θ2kp звуковое поле состоит практически из одних поперечных волн. При этом продольные волны являются источниками помех.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

Ориентировочно, характеристику направленности наклонного преобразователя можно определить, заменив двухслойную среду некоторой однородной средой (со свойствами материала контролируемого изделия) и преобразователем, излучающим в эту среду поперечные волны.
Продолжим преломленные волны в призму преобразователя. Тогда получим мнимый излучатель диаметром D2 на расстоянии Δr1 от точки ввода.

Угол наклона призмы находится в пределах:

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

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

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

характеристику направленности прямоугольного с размерами D и D1. 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.

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

больше угол наклона призмы β, тем меньше мнимый размер излучателя D1 и тем шире основной лепесток характеристики направленности в плоскости чертежа (т. е. больше угол θ1).

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

чертежа . Характеристика направлен-ности в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа более острая, так как

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

следующим образом.
Δr - характерный размер для преобразователя.
Стрела искателя равна

2. Акустическое поле преобразователей, используемых в НК

2.4. Акустическое поле наклонного преобразователя

ширина, длина фокуса
эффективный диаметр пьезоэлемента
направленность поля ПЭП, характеристика направленности
угол ввода
угловое отклонение/параллельное смещение луча относительно оси корпуса
точка выхода луча
стрела
резерв усиления
мертвая зона
износостойкость
АЧХ, ФЧХ, РШХ

температур
добротность (электрическая, механическая)
максимальное электрическое напряжение
температурная стабильность
сопротивление излучения
передаточная функция
коэффициент преобразования