Какие параметры влияют на рабочую частоту пьезопластины

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Пьезопластина

Если пьезопластина возбуждается переменным напряжением другой частоты, то после переходного процесса с этой частотой начинаются вынужденные колебания с постоянной амплитудой. Однако амплитуда зависит от частоты ( рис. 7.9): при очень малых частотах она практически равна статическому изменению толщины согласно формуле (7.1), которое на рис. 7.9 было произвольно принято равным единице. С повышением частоты до резонансной fr она увеличивается до некоторого максимума, высота которого зависит от коэффициента затухания, и затем снова падает. [31]

Диаметр пьезопластины влияет на абсолютную чувствительность искателя, диаграмму направленности, протяженность ближней зоны и мощность излучения. [34]

Толщина пьезопластины принимается равной половине длины волны в пьезоматериале на рабочей частоте ПЭП. Протектор служит для защиты пьезопластины от механических повреждений и должен обладать высокой износостойкостью. Демпфер в свою очередь служит для гашения свободных колебаний пьезопластины и получения коротких импульсов. [36]

На пьезопластину с резонансом по толщине ( в рассматриваемом случае в качестве пьезоматериала использовался ПВДФ) нанесены электроды в виде гребенчатой структуры. Для получения короткого импульса необходимо излучать спектр частот. Преобразователь типа гребенчатой структуры излучает волны сразу в двух противоположных направлениях, поэтому его обычно помещают вблизи края ОК. [40]

Если пьезопластину приложить к поверхности контролируемого изделия, в нем будут возбуждаться и распространяться волны УЗК. В зависимости от режима работы генератора переменного электрического напряжения излучение может быть импульсным или непрерывным. Корпус ( или призма) искателя, в котором размещена пьезопластина, предохраняет ее от механических повреждений и износа. [41]

Используют стандартную пьезопластину / из ЦТС диаметром 12 мм. Электроды из медной фольги толщиной 0 1 мм приклеивают эпоксидной смолой к пьезоэлементу, который так же крепят к демпферу и призме. Отвердение смолы происходит в течение 24 часов при комнатной температуре под небольшой нагрузкой. После этого к электродам припаивают кабель с разъемом 4 и всю сборку устанавливают в корпусе преобразователя, заливая эпоксидным клеем. При этом особенно внимательно необходимо устанавливать призмы по отношению к корпусу. После изготовления преобразователя определяют чувствительность, точку выхода и угол ввода. Если корпус изготавливают из оргстекла, то для сохранения стабильности угла ввода на него крепят металлическое кольцо. [42]

Расстояние от пьезопластины до нижней грани призмы также делают достаточно большим, чтобы лучи от нижней части пьезопластины после отражения от нижней грани призмы ( в том числе трансформированные в поперечные волны) не падали на верхнюю часть пьезопластины. [44]

Преобразователь ( пьезопластина ) может работать и в режиме приема, принимая распространяющиеся в изделии отраженные от внутренних дефектов ( или излученных другим преобразователем) УЗК и преобразуя их в электрические сигналы. [45]

Источник

Пьезоэлемент

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже [13]:

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. Рисунок 3 показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации [1]. Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

и ,

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце [3]. А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля [1]. Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

,

,

где с – скорость звука в материале, м/с [2]

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

,

Чтобы измерить эти частоты обычно используется анализатор импеданса, с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики (рисунок 6).

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На рисунке 6 частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной ( f_r), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ( f_a).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Рисунок 6 – Зависимость сопротивления от частоты у пьезокерамики [6]

Пьезомодуль d_ij (пьезоэлектрический коэффициент заряда или относительной деформации) – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю или индуцированный электрический заряд на механическое напряжение (Кл/Н) [2]

,

Полезно помнить, что большие значения d_ij приводят к большим механическим смещениям (деформациям), что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей. d₃₃ применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (рисунок 5г). d₃₁ используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (рисунок 5б). d₁₅ показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми (рисунок 5д).

, [10]

Пьезомодуль g_ij (пьезоэлектрическая постоянная давления) – отношение полученного электрического напряжения к приложенному давлению.

,

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g_ij ведет к большим выходным электрическим напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, [11]

,

,

,

,

,

,

Изделия, основанные на пьезоэлектрическом резонансе, требуют высокой механической добротности.

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО₃ (напр., BaTiO₃, РbТiO₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO₃ — CaTiO₃, BaTiO₃ — CaTiO₃ — CoCO₃, NaNbO₃ — KNbO₃). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO₃ — PbZrO₃ (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ₂О₆, напр. PbNb₂O₆, имеющих весьма высокую Кюри точку (

570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации [8].

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики [1].

Источник

Методическое пособие на тему “Физические основы ультразвукового метода НК” Специальность: дефектоскописты вагонных, локомотивных депо (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4

Колебательный процесс……………………………………………………. ……. стр. 3 Упругие волны в безграничной среде……. …………………….……………..…….стр. 3 Понятие о деформации и напряжения в твёрдых телах………………………..……стр. 4 Типы волн…………………………..………………………………….…………..…стр. 4-6 Основные параметры упругих волн………………………………………………. стр. 6-7 Поляризация волн………. ……………………………………………….……. …..стр. 7 Возбуждение и приём ультразвуковых колебаний….…………………………….стр. 7-8 Понятие о резонансе……………. ……………………………………….………. стр. 8 Добротность пьезоэлементов………. …………………….…..…………………. стр. 8-9 Понятие о направленности…………………………………..…………………….стр. 9-11 Дифракция волн………………………. ………. ……………. стр. 12-13 Затухание ультразвука в твердых средах……………………….……..…..стр.14-16 Отражение, преломление и трансформация ультразвуковых колебаний на границах двух безграничных сред (при наклонном падении)……. ………………….…..стр. 16-20 Энергетические соотношения (при нормальном падении волн)……………..….стр. 20-21 Импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний…………………. стр. 22-23 Акустическое поле наклонного преобразователя. …………………….….…. стр. 24-25

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ.

1. Колебательный процесс

Колебаниями называют многократное по­вторение одинаковых или близких к одинаковым процессов.

Понятие акустической волны (акустического колебания)

Акустическим колебанием (ультразвуком) называют – упруго-механические колебания мельчайших частиц среды около положения своего равновесия, а акустические волны – распространение в этой среде механического возмущения (деформации).

Колебания характеризуются: амплитудой (U), частотой (f ) и периодом (Т).

В зависимости от часты (числа колебаний в одну секунду) упругие волны подразделяются на:

-инфразвуковые – с частотой до 20 Гц.

-звуковые – от 20 Гц доГц.

-ультразвуковые – от 20 000 Гц до 1 000 000 000 Гц.

-гиперзвуковые – свыше 1 000 000 000 Гц.

1 000 Гц = 1кГц – один килогерц;

1 000 000 Гц = 1000 Гц = 1 МГц – один мегагерц;

1 000 000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц – один гигагерц.

2. Упругие волны в безграничной среде.

При рассмотрении упругих волн, будем считать среду сплошной, а под частицей среды понимать любой мысленно выделенный участок среды. Все среды разделим на твёрдые, жидкие, газообразные и на анизотропные и изотропные.

Изотропные – акустические свойства среды практически не меняются: ( плотность, размер зерна и. т.д. ).

Принципиальным отличием твёрдого тела от жидкого и газообразного является следующее: твёрдые тела обладают объёмной упругостью и упругостью сдвига, а жидкости и газы обладают только объёмной упругостью.

3. Понятие о деформации и напряжения в твёрдых телах.

Деформация в твёрдом теле связана с изменением положения её частиц и характеризуется относительным смещением точек среды в пространстве. Связь между, деформацией и напряжением задаётся законом Гука: G =Λ* U, где

G (сигма) – коэффициент пропорциональности;

Λ (лямда) – полностью характеризует упругие свойства вещества;

Закон Гука справедлив только в области малых смещений, что наблюдается при распространении акустических волн в упругих средах

Процесс распространения колебательного движения частиц упругой среды называется волной. Особенностью волнового движения является перенос энергии без переноса вещества. Волны характеризуются скоростью распространения «С», и длинной волны «λ».

В безграничной, упругой среде могу существовать волны только трёх типов.

Примечание: безграничной средой называется – среда, у которой расстояние между, донными (противоположными) поверхностями много больше длины волы r >>>λ

В зависимости от направления смещения частиц среды и направления распространения волны, волны бывают продольные, поперечные (сдвиговые), поверхностные.

а). Продольная объёмная волна – волна, у которой направление смещения частиц около своего положения равновесия совпадает с направлением распространения волны.

Продольная волна характеризуется тем, что в среде чередуются области сжатия и разряжения, или пониженного и повышенного давления, или повышенной и пониженной плотности, поэтому их так же называют волнами давления, сжатия или плотности, распространяются продольные волны в твердых, жидких и газообразных средах.

направление волны

Скорость распространения продольной волны Cl в неограниченном твёрдом теле определяется выражением: Сl =; где

2μ – Коэффициент Пуассона, представляющий собой отношение ширины стержня к изменению его длины, если стержень растягивать по длине;

ρ – плотность среды.

Скорость продольной волны для низкоуглеродистых сталей Cl = 5900 м/с.

Длина волны для Cl: = 5900/2500 000 =0,00236м =2,36мм. Для f = 2,5МГц

Поперечная (сдвиговая) волна распространяется только в твёрдых телах, так как частицы в «сдвиговой» волне колеблются в разных направлениях по оси координат, а в жидкостях и

Газообразных средах частицы волны не могут колебаться в разных направлениях, так как в данных средах отсутствует жёсткая связь между кристаллами кристаллической решётки.

направление волны

Скорость распространения поперечной волны в неограниченном твёрдом теле определяется выражением: Ct =.

Скорость поперечной волны для низкоуглеродистых сталей Ct = 3260 м/с.

Длина волны для Ct: = 3260/2500 000 =0,001304м =1,3мм. Для f = 2,5МГц

Обычно в металлах скорость поперечной волны примерно в два раза меньше, чем скорость продольной волны Скорости продольной и поперечной волны связаны между собой следующим соотношением: ; Сt0.55Cе

Частицы в поверхностной волне совершают колебательные движения по элептическим траекториям и с глубиной элепс становится длиньше и уже, за счёт поперечной составляющей волны

Скорость поверхностной волны для низкоуглеродистых сталей Cs = 2999 м/с.

Длина волны для Ct: = 2999/400000 = 0,00074м = 0,74мм. Для f = 400 кГц

Скорость поверхностной волны от поперечной составляет Сs0.93

Скорость поверхностной волны от продольной составляет Ct0.51Cl

Как отмечалось выше скорость распространения объёмных и поверхностных волн определяется только упругими свойствами среды и не зависит от частоты и затухания в материале. Но величина упругих параметров материала может, изменятся с изменением температуры, а значит и скорость волны зависит от температуры материала, в котором она распространяется, чем выше температура, тем больше скорость волны. Распространение продольной волны Сl, в среде вызывает образование пониженного и повышенного давления, давление в сферической и плоской звуковой волне определяется из формулы:

Все упругие среды характеризуются акустическим сопротивлением

Z = (акустический импеданс)

5. Основные параметры упругих волн

1.Фронт волны – это геометрическое место точек, в которых смещения в данный момент времени равны.

Чаще всего говорят о трёх видах фронта:

а) Плоский фронт волны – амплитуда волны от пройденного расстояния (r) не зависит.

б) Цилиндрический фронт – часто встречается на практике, амплитуда волны обратно пропорционально квадратному корню, пройденного расстояния ;

в) Сферический фронт волны – амплитуда волны обратно пропорциональна пройденному расстоянию .

время одного полного колебания волны Т; мкс, сек;

периоду ƒ=; Гц; МГц;

4.Скорость волны, есть величина постоянная для данной среды и зависит от её акустических характеристик;

период (смещение U или скорость V).

6.Длина волны λ; мм, м-6;

6. Поляризация волн

При падении продольной волны на границу раздела двух сред возникают смещения и напряжения, ориентированные только в плоскости падения. Следовательно, векторы смещения частиц в отраженных и пре­ломленных волнах лежат в этой же плоскости. Для продольных волн эти векторы ориентированы вдоль направления распростра­нения волны, для поперечных — перпендикулярно ему. В данном случае поперечная волна линейно поляризована в плоскости падения.

SV – поляризация (вертикальная) SH – поляризация (горизонтальная)

7. Возбуждение и приём ультразвуковых колебаний Понятие о пьезоэффекте. Для получения ультразвуковых частот применяют пьезоэлектрические, магнито-стрикционные, электромагнитно-акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получи­ли пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), в кото­рых активными являются пьезоэлементы, изготовленные из монокристалла кварца или пьезокерамических мате­риалов: титаната бария, цирконат титаната свинца и др. Для изготовления преобразователей чаще всего исполь­зуют ПЭП из цирконат титаната свинца марки 19 (ЦТС-19). На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тон­кие слои серебра, служащие электродами. При подведе­нии к электродам знакопеременного электрического на­пряжения, пьезоэлемент совершает вынужденные меха­нические колебания (растягивается и сжимается с частотой подаваемого электри­ческого напряжения. Данное явление называется обрат­ным пьезоэффектом. Прием ультразвуковых колебаний основан на явлении прямого пьезоэффекта, под действием ультразвуковых волн (механическое воздействие) на поверхностях пьезопластины возникает переменный электрический заряд (переменное напряжение), которое обрабатывается в электронном блоке дефектоскопа и вы даётся на экран дефектоскопа в виде эхо-сигналов. 8. Понятие о резонансе При воздействии на пьезопластину переменным напряжением или ультразвуковой волной (обратный или прямой пьезоэффект) амплитуда колебания ее будет тем выше, чем ближе частота переменного напряжения или УЗ волны собственной частоте пьезопластины. При совпадении этих частот возникает резонанс. Собственная частота пьезопластин зависит от материала, из которого она изготовлена и от ее толщины. И определяем по формуле: ; где С – скорость волны в пластине; d – толщина пластины. для ЦТС С=3300 м/сек.

Собственная (резонансная) частота пьезопластин обратно пропорциональна толщине пластины.

9. Добротность пьезоэлементов

Это количественная характеристика, показывающая во сколько раз амплитуда колебания пьезопластины на резонансной частоте выше, чем амплитуда колебания на частоте, во много раз отличающейся от резонансной.

При воздействии на пьезопластину импульсом переменного напряжения пьезопластина начинает колебаться, колебательное движение ее продолжается некоторое время и после воздействия этого импульса, при этом на ее обкладках появляется переменное напряжение, убывающее по амплитуде от максимального значение до 0. При этом добротность определяется количеством полных периодов колебаний совершенных пластиной.

10. Понятие о направленности

Подача на пьезоэлектрический преобразователь пе­ременного напряжения приводит (вследствие обратного пьезоэффекта) к механическим его колебаниям (растя­жению и сжатию). Эти механические колебания пьезо-элемента передаются в окружающую среду, возбуждая в ней акустические (ультразвуковые) колебания. Возбуж­даемые пьезоэлементом ультразвуковые колебания распространяются в среде в различных на­правлениях. Причем интенсивность распространения этих колебаний в различных направлениях различна.

более направленный излучатель

Колеблющийся пьезоэлектрический преобразователь, при достаточно больших размерах его в сравнении с дли­ной ультразвуковой волны (D > λ), создает в окружаю­щей среде волновое поле, имеющее вблизи от излучате­ля приблизительно цилиндрическую форму (ближняя зона, зона дифракции Френеля). Начиная с некоторого расстояния Z0 поле приобретает форму усеченного кону­са с небольшим углом φр при вершине (дальняя зона, зона дифракции Фраунгофера). Таким образом, излучаемые пьезопластиной волны распространяются узким, слегка расходящимся пуч­ком. Величина угла φр, под которым этот пучок расхо­дится, сравнительно невели­ка и зависит от соотноше­ния между геометрическими размерами (площадью излу­чающей поверхности) пьезоэлемента и длиной волны излучаемых ультразвуковых колебаний.

Для излучателя, имеющего форму диска ди­аметром D, величина угла φр (определяющего ширину ди­аграммы направленности из­лучателя) оценивается выра­жением:

φр = arcsin (1,22λ/D), где

1,22 – коэффициент (табличное значение).

Для продольной волны λ = 2,36; Диаметр пьезопластины D = 12 мм, тогда

Ближняя зона (зона Френеля) (фронт плоский)

Дальняя зона (зона Фраунгофера)

— угол расхождения

Ближняя зона прямого преобразователя рассчитывается по формуле: ; где

α – радиус пьезопластины (6 мм);

Величина ближней зоны тем больше, чем больше радиус пьезопластины.

Акустическое поле вблизи излучателя вследствие интерфе­ренции имеет сложную структуру с чередующимися минимумами и максимумами звукового давления как вдоль, так и поперек акус­тической оси излучателя. Зона немонотонного изменения акустического поля называется ближней зоной или зоной дифракции Френеля.

Непосредственно на излучателе су­ществует какое-то среднее давление Р0. Вдоль оси излучателя располагаются максимумы и минимумы давления, колеблющиеся около средней величины. Образование максимумов и минимумов в ближней зоне преобра­зователя объясняется большой разностью расстояний от различ­ных точек преобразователя до исследуемой точки и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов.

За пределами ближней зоны начинается дальняя зона излучателя или зона дифракции Фраунгофера. В этой зоне давление монотонно убывает с увеличением расстояния от из­лучателя. На большом расстоянии давление не испытывает ос­цилляции, а монотонно убывает обратно пропорционально расстоянию. Акустическое поле в дальней зоне характеризуют диаграм­мой направленности, показывающей изменение звукового дав­ления в зависимости от угла между направлением луча и акус­тической осью на постоянном расстоянии от излучателя. За единицу принимают амплитуду на оси излучателя. Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя. Центральную часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называют основным лепестком. В пределах основного лепестка сосредо­точено около 85% энергии поля излучения. Вне основного лепестка диа­грамма направленности имеет вид боковых лепестков. Уровень боковых лепестков определяется отношением поля на акустической оси к макси­мальной величине поля вне основного лепестка.

Диаграмма направлен­ности для круглого излучателя определяется формулой:

; где Sin; где

— функция Бесселя, значение которой берётся из таблицы. Угол раскрытия основного лепестка диаграммы:

если длина волны известна:

длина волны не известна:fa

В практике УЗ контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого.

На уровне 20dB ( или уровне 0,1 от максимума)

.

На уровне 6 dB (или уровень 0,5 то максимума)

Акустической осью – называют линию, соединяющую точки максимальной интенсивности поля в дальней зоне и продолжение в ближней зоне. Диаграмма направленности это объёмная фигура, а не плоская как на картинке, как следует из формулы: угол раскрытия или ширина диаграммы направленности прямо пропорциональна скорости распространения волны «С» и обратно пропорциональна « a и f»

Угол раскрытия – это угол, образованный осью излучения и линией, соединяющей центр излучателя и точку диаграммы на уровне 0,5.

Поле излучения ПЭП принято представлять в полярных координатах (условных). Это представление называется диаграммой направленности.

Наибольшая интенсивность излучения будет по центральной оси перпендикулярно плоскости излучателя (при увеличении угла интенсивность падает). Диаграмма направленности представляет собой кривую линию, соединяющую точки под разными углами с одинаковой интенсивностью.

Диаграмма направленности характеризуется углом раскрытия на уровне 0,5.

Угол раскрытия диаграммы увеличивается при уменьшении диаметра пьезопластины. При малом диаметре появляются боковые диаграммы направленности.

Влияние параметра на угол раскрытия, основного лепестка диаграммы направленности круглого излучателя. Таким образом, увеличение радиуса излучателя, а также его частоты делают диаграмму направленности более острой.

В основе большинства способов, которые применяет практи­ческая УЗ дефектоскопия, лежит использование законов так называе­мой геометрической оптики (ГО). Это означает, что звуковые лучи рас­пространяются по прямым линиям, а если попадают на границу раз­дела двух сред, то на ней происходят явления, описываемые законом Снеллиуса. Однако существуют такие области на границах раздела двух сред (в частности, области на несплошностях в объекте контроля), а также такие условия взаимодействия УЗ волны с объектом, когда воз­никающие явления невозможно объяснить только законами ГО. Так, если при распространении УЗ колебаний на их пути встречается зву­конепроницаемое препятствие, то по законам ГО за препятствием должна возникнуть область, куда не проникает звуковое поле, то есть область звуковой тени.

Однако на самом деле, в зависимости от соот­ношения размеров этого препятствия и длины волны на некотором расстоянии за препятствием в области геометрической тени обнару­живаются звуковые волны, то есть звук как бы огибает преграду. Это свойство звуковых волн получило название: дифракция.

Дифракция – это явление частичного огибания волнами препятствий, находящихся на пути их распространения.

Для объяснения этого явления воспользуемся принципом Гюй­генса, в соответствии с которым каждую частицу среды, приходящую в колебание вследствие распространения первичной волны, можно рассматривать как точечный источник, излучающий вторичную эле­ментарную сферическую волну. Результирующей бесконечного числа таких элементарных сферических волн, дающей фактически су­ществующую волну, является огибающая всех вторичных волн.

Так, если плоская волна встречает на своем пути звуконепрони­цаемую преграду с точечным отверстием, то она распространяется по другую сторону преграды в виде сферических волн, расходящихся от отверстия преграды, как от нового точечного источника.

Если на пути распространения УЗ колебаний имеется препятст­вие, то колеблющиеся частицы среды, расположенные по краям препятствия, создают сферические волны, которые распространяют­ся в зоне геометрической тени препятствия.

Источник