Акустическое поле преобразователя определяет зависимость акустических величин (давление, смещение, скорость) от положения исследуемой точки в пространстве. Поле, возникающее в результате действия излучающего преобразователя, называется полем излучения.
Одним из простых случаев является звуковое поле круглого плоского излучателя, который колеблется с одинаковой фазой и амплитудой по всей поверхности. Такой источник звука называется идеальным поршневым излучателем.
Акустическое поле излучателя вблизи его поверхности и на удалении существенно отличаются.
Поле излучения на оси преобразователя (а) и общая схема поля (б)
Поэтому, различают две характерные области поля - ближнее поле и дальнее поле. В ближнем поле ультразвук распространяется в виде нерасходящегося пучка, ограниченного краями излучателя. Вдоль акустической оси пучка, проходящей через центр поршневого излучателя и являющейся осью симметрии звукового поля, имеются чередующиеся минимумы и максимумы давления, количество которых равно отношению диаметра преобразователя к длине волны. Вся эта область называется ближней зоной, ближним полем или зоной Френеля.
Для круглой пьезопластины протяженность ближней зоны на оси преобразователя:
N= а2/λ = а2 f/c, где
а – радиус излучателя, λ, f, c – длина волны, частота и скорость распространения УЗК.
Для прямоугольного преобразователя с соотношением сторон не более 2 протяженность ближней зоны приблизительно равна:
N= S/πλ, где
S – площадь пьезопластины.
В дальней зоне (дальнем поле, зоне Фраунгофера) формируется расходящийся пучок лучей. Излучается как бы сферическая волна, но не во все стороны, а в пределах конуса. Поле волны приобретает форму конуса. Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя (акустическая ось или центральный луч). С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается. За пределами некоторого угла (угла раскрытия) излучение почти не чувствуется. Угол раскрытия определяет направленность излучения.
Для описания поля применяется диаграмма направленности - зависимость амплитуды излучения от угла между акустической осью и лучом (направлением на точку наблюдения).
Диаграмма направленности не зависит от расстояния до излучателя.
Центральная часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда поля уменьшается от единицы до нуля, называется основым лепестком. В пределах основного лепестка сосредоточено около 85% энергии излучения. Вне основного лепестка диаграмма направленности имеет вид боковых лепестков.
Угол, при которым амплитуда излучения становится равной нулю называется углом раскрытия.
Угол раскрытия (половина угла раствора конуса) для круглого ПЭП определяется
(тэта)
θ=arcsin 0.61λ/а
В практике контроля иногда определяют угол раскрытия основного лепестка на уровнях, отличающихся от нулевого.
На уровне 20 дБ (или уровень 0,1 от максимума): θ=arcsin 0.54λ/а
На уровне 12 дБ (или уровень 0,25от максимума): θ=arcsin 0.46λ/а
На уровне 6 дБ (или уровень 0,5 от максимума): θ=arcsin 0.35λ/а
Для преобразователей, имеющих симметричную диаграмму направленности, удвоенный угол раскрытия основного лепестка (2 θ) называется шириной основного лепестка диаграммы направленности.
Из приведенных выше выражений видно, что основной лепесток диаграммы направленности излучателя сужается с увеличением частоты и размера преобразователя.
ПРИМЕР:
f =2.0 МГц 2а = 24 мм θ = 8о 40.'
f =4.0 МГц 2а = 24 мм θ = 4о 20.'
f =2.0 МГц 2а = 12 мм θ = 17о 30.'
f =4.0 МГц 2а = 12 мм θ = 8о 40.'
В конце ближней зоны имеется фокус звукового пучка. Звуковой пучок там существенно уже, чем диаметр излучателя, амплитуда звукового давления здесь в два раза превышает среднее звуковое давление непосредственно у излучателя. Начиная с N = Nб звуковое давление медленно уменьшается и достигает средней величины лишь при N= 3 Nб.
Действительное поле, создаваемое ПЭП, ультразвукового дефектоскопа, отличается от рассмотренного расчетного поля. При простейшем рассмотрении мы пренебрегли связью между различными типами волн. Рассматривали поле идеального круглого излучателя в режиме непрерывных колебаний, однако основной режим работы в дефектоскопии – импульсный. В отличии от теоретического поршневого излучателя, у обычного ПЭП пьезопластина возбуждается неравномерно – по краю амплитуда ее колебаний меньше, чем в середине.